Cap. 2 SISTEME DE COMUNICAŢII

2.1 GeneralităţiUn sistem de comunicaţii reprezintă un ansamblu de echipamente care permite

transportul unei anumite "cantităţi" de informaţie (cu un anumit grad de fidelitate, impus) între două sau mai multe puncte restabilite (surse şi destinatari), fixe sau mobile aflate la distanţă. Informaţia poate avea natură diferită ( voce, sunet, imagine, date) astfel încât un poate oferi şi servicii diverse (telefonic, telegrafic, radio-difuziune, televiziune, transmisii de date, telemetrie, telecontrol etc. ...).

În ipoteza unei singure surse şi a unui singur destinatar, legătura este de tip punct la punct; când sunt mai multe surse şi mai mulţi destinatari (nu neapărat în număr egal), se poate vorbi de o reţea. În cadrul unei reţele, legăturile pot fi permanente sau temporare (comutate). O sursă şi mai mulţi destinatari formează o reţea de distribuţie iar mai multe surse şi un singur destinatar formează o reţea de colectare. Legătura dintre sursele de informaţii şi destinatari, poate fi fizică sau logică (circuit virtual). O legătură oarecare poate îngloba tronsoane fizice şi / sau virtuale. în funcţie de sensul de transmisie legăturile pot fi unidirecţionale ( simplex ) sau bidirecţionale (duplex, semiduplex ). Dacă în sistemele unidirecţionale legăturile sunt totdeauna pe 2 "fire" în sistemele bidirecţionale, legătura poate fi pe 2 sau 4 "fire" (denumire atribuită prin tradiţie).

Un sistem de comunicaţii cuprinde: echipamentele terminale) şi canalul cu echipamentele de linie. În figura 1 se reprezintă schema bloc a unui sistem de comunicaţii pe 4 fire ce realizează o legătură permanentă între punctele A şi B aflate la distanţă.

Fiecare echipament terminal conţine echipamente de emisie şi recepţie. Echipamentele de linie conţin repetoare (în sistemele analogice) şi regeneratoare (în cazul sistemelor digitale), aşezate periodic după o anumită distanţă, pentru a "reface" semnalele degradate prin propagare pe "canalul" de comunicaţie.

Cum acest canal împreună cu echipamentele de linie constituie componenta cea mai costisitoare a sistemului de comunicaţii, este economic ca acesta să fie cât mai inteligent utilizat.

ETA - echipament terminal din A ETB ~ echipament terminal din B.

E.L. - echipament de linie.

Fig.l Schema bloc a unui sistem de comunicaţii

În varianta 4 "fire" exemplificată în figura 1 sensurile de transmisie sunt separate fizic ( câte un canal identic pentru fiecare sens) în varianta pe 2 "fire", acelaşi canal este folosit în comun pentru ambele sensuri (prin diviziune în timp sau frecvenţă), iar echipamentele terminale de la cele două capete ale legăturii sunt diferite. Variantele moderne utilizează aproape exclusiv 2 canale identice, distincte, câte unul pentru fiecare sens.

1

Fig.2 Sisteme de comunicaţii cu multiplexare (un sens)

în ultimul timp, multiplexarea temporală pe 2 "fire" a sensurilor a devenit populară. Aceste sisteme sunt denumite ping-pong sau TCM ( Time Compression Multiplexing ). Un astfel de sistem împarte fluxul de date în pachete egale şi le comprimă în timp astfel încât după emiterea unui pachet urmează o pauză până la emiterea următorului. în acest răstimp canalul este folosit pentru celălalt sens, informaţia fiind prelucrată asemănător. Un singur sens A—>B al SC din figurai este prezentat în figura 2 unde sursele Si...Sn multiplexate înlocuiesc sursa SA (SB) şi destinatarii Di...Dn reprezintă destinatarul multiplu DB (DA).Fiecare sursă " i " dintre cele n este legată de SC cu destinatarul " i " corespunzător. Dacă între SA şi DB se intercalează ( fizic sau logic ) un bloc de comutaţie, atunci orice sursă " i" poate transmite informaţie la destinatarul" j ".

Informaţia care comandă legătura i->j ( stabilire, menţinere, eliberare ) este informaţia de "semnalizare". Aceasta este transmisă centrului de comutaţie de la sursa implicată de obicei printr-un canal separat ( semafor ). O reţea de telecomunicaţii îndeplineşte, în afara funcţiei de transport a informaţiei (prin SC), şi funcţia de comutaţie.

De exemplu reţeaua telegrafică tradiţională PSTN (Public Switched Telephone Network) are o fonologie tipică prezentată simplificat în figura 3 .Terminalele de abonat ( TA ) sunt legate fiecare prin linia proprie ( LA ) la una dintre centralele telefonice urbane ( CTU ) ale unui oraş. Mai multe centrale urbane sunt legate împreună la o centrală interurbană ( CTI ).Centralele interurbane formează o reţea cu acces la o centrală internaţională (CTIn). CTU realizează legături interne interconectând TA "fiecare cu fiecare" sau externe când un TA este legat fie la o joncţiune urbană (către o altă CTU) fie la o joncţiune interurbană (CTI). CTI realizează şi funcţii de tranzit între joncţiunile interurbane.

2

Elementele de bază ale reţelei sunt:• Terminalele utilizatorilor ( TA ) - care asigură servicii şi

include şi funcţiilede prelucrare ( a semnalelor ).

• Centrele de comutaţie ("centrale") care execută conexiuni temporale între terminale locale sau cualte centre din reţea.

• Sub reţeaua de comunicaţii formată din:liniile de abonat (LA - cu structura radială) care leagă la reţea terminalele ( TA ) prin interfeţe corespunzătoare. - Joncţiuni (trunchiuri, JU, JI) care realizează legătura între centrele de comutaţie prin sistemele de comutaţie prin sisteme de comunicaţie (SC).

SC au rolul de multiplexare / demultiplexare ( pentru a eficientiza transmisia ) şi de a adapta semnalul multiplex canalului fizic prin care se face transmisia ( în sensul unei transmisii optime fără erori).

Legăturile ( joncţiunile ) între CT de acelaşi nivel pot fi realizate în variantele:a) Cu interconectare totală ( fiecare cu fiecare ) - numărul joncţiunilor crescând cu

pătratul centralelor legate; fascicolele sunt slab utilizate în condiţii de trafic redus dar calitatea legăturii este ridicată (putând fi optimizată). Se utilizează pentru situaţia unui trafic nodal ridicat.

b) Cu interconectare parţială - în care lipsesc unele din legăturile interconectării totale şi anume acelea traversate de un trafic mai redus.

c) în stea - cu cel mai mic număr de joncţiuni posibile (în cazul unui trafic scăzut). Dacă o joncţiune cade atunci un număr de abonaţi vor fi izolaţi neexistând rute ocolitoare.

d) Poligonală ( închisă sau nu ) - pentru utilizatori ce schimbă discontinuu mesaje. Sunt necesare dimensionări suplimentare de tranzit.

e) Reţele Mixte - care încearcă să îmbine armonios avantajele şi dezavantajele variantelor prezentate anterior.

2.2 Prezent în reţele TCProgresele din ultimele decenii în electronica digitală au impus şi au făcut posibile,

schimbări în tehnologia telecomunicaţiilor. Dezvoltându-se odată cu calculatoarele, au apărut şi tendinţe contradictorii cum ar fi dezvoltarea reţelelor şi a sistemelor private realizate de mai mulţi constructori şi eforturile pentru "unificare" (standardizare a arhitecturilor şi

3

procedurilor pentru compatibilizare).Sunt cel puţin trei linii majore ce se fac simţite în telecomunicaţiile moderne:

• Utilizarea exclusivă a tehnologiei digitale, cu evoluţie spre debite din ce în ce mai mari (atât în reţeaua de acces cât şi în cea de transport)

• Tendinţa de integrare a serviciilor ( voce , imagine, date )• Oferirea unei mobilităţi cât mai mari în reţeaua de acces (reţele de radiocomunicaţii telefonice).

Astfel la început transmisiile de date utilizau prin diverse artificii infrastructura serviciilor telefonice tradiţionale (PSTN - Public Switched Telephone Network). Debitele (lărgimea de bandă) din ce în ce mai mari au impus realizarea unor reţele de date specializate mai întâi pentru arii mici (LAN -Local Area Network) şi apoi extins (MAN - Metropolitan Area Network şi WAN - Wide Area Network). Reţele LAN acoperă arii locale restrânse putând interconecta un număr mare de utilizatori (sute sau chiar mii). Debitul este între 1-100 Mbit/s (Ethernet, Token Bus, Token Ring, FDDI, ARC net, etc.).Reţelele MAN acoperă teritorii de mărimea unui oraş şi se obţin prin interconectarea LAN.

Permit debite de ordinul a 100 Mbit/s. Reţelele WAN sunt reţele de arie extinsă care interconectează (utilizând de obicei reţeaua publică) utilizatori distanţi, permiţând punerea în comun a unor resurse, dar cu debite reduse.

O reţea are funcţii de prelucrare şi transport a informaţiei conform anumitor protocoale1 (ansamblu de reguli) care să asigure:

- interpretarea corectă a informaţiei atunci când sistemul o reprezintă în mod diferit;- detectarea şi corectarea erorilor; - rutarea optimă; ; - control al transferului de date;- să organizeze şi să sincronizeze dialogul între procesele de aplicaţie, etc. .În tehnologia reţelelor locale sunt importanţi următorii parametri: topologie

(configuraţia căilor de transmisie între sistemele interconectate), metoda de acces la mediu, control şi alocare a canalelor de comunicaţii, modul de transmisie, suportul de transmisie

Dezvoltarea reţelelor de telecomunicaţii (în plan privat şi public) au condus la diversificarea serviciilor de telefonie şi la necesitatea interconectării terminalelor multifuncţionale de utilizator sau reţelelor informatice.Acest lucru a impus considerarea a două aspecte fundamentale pentru telecomunicaţiile moderne:integrarea şi interoperabilitatea.

• Integrarea presupune trei paşi distincţi:IDN ( Integrated Digital Network ) Reţeaua integrată digitală ca primă etapă de

dezvoltare a PSTN.ISDN (Integrated Services Digital Network ) Reţea digitală cu integrare a serviciilor

( voce, video şi date ) la care se adaugă şi alte servicii suplimentare de acces şi conexiune. Comutaţia poate fi de tip "circuit" sau "pachete" care poate fi implementată în varianta sincronă sau asincronă. Reţeaua ISDN poate fi asimilată "abstract" cu o "conducta digitală de biţi" (Digital Pipe) prin care datele circulă în ambele sensuri între sursă şi destinaţie fără să aibă importanţa cine a produs aceste date şi ce semnificaţie au. Canalele individuale pot transmite cu viteze de până la 64 Kbit/s putând fi multiplexate până la nivele ierarhice superioare. - formatul şirului de biţi şi multiplexarea sunt riguros definite în specificaţia interfeţei utilizator - reţea prin standarde dependente de cerinţele abonatului. Furnizorul de servicii montează la sediul clientului un terminal de reţea NTi şi îl conectează la dispozitivul de conversie ISDN din centrală (la câţiva kilometri ). Spre abonat prin NT1(figura 4) se pot conecta un număr de telefoane, alarme sau alte dispozitive ISDN. Dacă numărul de telefoane este mare ( > 8 ), la abonat se poate monta o centrală privată NT2 denumită PBX ( Private Branch Exchange ). La ISDN se pot conecta ( standard ) 3 combinaţii:

1) 2B + 1D - acces de bază (BRI-Basic Rate Interface-160Kbit/s)l;2) 23B + 1D ( SUA, Japonia ) sau 30B + 1D ( Europa ) - acces primar (PRI-

4

Primary Rate Interface-1.544Mbit/s sau 2.048Mbit/s)2;3) Hibridă: 1A+lC-hibrid.

Unde: A - canal telefonic analogic 4 kHz ;B - canal digital 64 kbit/s ;C - canal digital 8/16 kbit/s ;D -canal de semnalizare în afara benzii 16 kbit/s ;

B-ISDN este o reţea digitală de bandă largă (de aproximativ 2500 ori mai mare decât în ISDN). în reţea se realizează transportul celulelor de dimensiune fixă de la sursă la destinaţie (155 Mbit/s, 622 Mbit/s). La baza B-ISDN, figura 5, stă tehnologia "mod de transfer asincron" (ATM- Asynchronous Transfer Mode) pentru comutaţie cu pachete. B-ISDN nu poate fi folosit pe cablurile torsadate existente in cazul unor distante mari - suportul va fi constituit din fibre optice . Din reţeaua veche pot fi păstrate numai trunchiurile de fibră optică interzonale. Aceste reţele sunt orientate spre cererea unei societăţi informaţionale globale care să ofere un număr crescut de servicii la nivel de terminal, pornind de la serviciul telefonic clasic POTS ( Plain Old Telephone Service ) şi ajungând la video la cerere / VOD (Video On Demand ), televiziune digitală de mare definiţie / HDTV ( High Definition Television), etc. .

• InteroperabilitateaDescrie capacitatea de interconectare a unor reţele diferite cum ar fi PSTN, PDN ( Public Data Network - reţea publică de date ), reţele de date LAN, MAN, WAN. . Aceste două cerinţe presupun implementarea unora) Tehnologii software ( arhitecturi stratificate, prelucrări paralele, sisteme de operare,

baza de date distribuite, instrumente SW specializate cum ar fi limbaje de specificare, descriere funcţională, programare simulare, medii de dezvoltare, sisteme expert etc.).

5

b) Tehnologii hardware ( componente de mare viteză, tehnologii optice, moduri noi de multiplexare, comutatoare de mare viteză ATM-Asynchronous Transfer Mode).

TFO- terminal SONET NT1B- terminal retea banda largaGatewav- modul de interconectare a doua reţele SMDS rSwitched Multimegabit Data Service) CC BISDN Centru de comutaţie BISDNIRR. IUR interfeţe: retea retea, utilizator retea SMD S este un comutator de mare viteza (pachete) pentru comunicaţii publice care suporta fluxuri de date importante DS1 (1,54 MBit/s) DS3(44,736 MBit/s)

Fig.5 Reţea BISDN

Rolul sistemelor de comunicaţii în acest context, rămâne acela de a realiza legături la distanţă pentru debite importante, cu erori acceptabile, impuse de tipul informaţiei transmise.

2.3 Metode de comutaţieI. Comutaţia de circuite (servicii orientate pe conexiune) - caracterizată prin existenţa

unui canal disponibil; simultan între două puncte terminale dedicat conexiunii în cauză. Se caracterizează prin: "transparenţă" , terminalele angrenate în comutaţie sunt simultan disponibile pentru aceasta absenţa prelucrărilor în noduri şi transmisia în timp real. Se foloseşte pentru trafic continuu de volum mare de timp real. Are două dezavantaje principale: Legătura statică poate "risipi" resurse şi o defecţiune apărută oriunde de a lungul legăturii implică căderea acesteia.

II. Comutaţia de mesaje / pachete - se caracterizează prin faptul că mesajele sau fracţiuni ale acestora (pachetele) se memorează şi se retransmit în fiecare nod al reţelei. între cele două puncte terminale nu există decât o asociere logică (canal logic sau circuit virtual). Se utilizează pentru transfer de date (cu caracter intermitent cu eventuale conversii de viteză şi cod) între sisteme diferite cu tranzacţii scurte şi dese. Apar deci două avantaje importante: selecţia dinamică a rutei (căii) şi a benzii.

2.3.1 Comutaţia de circuite (exemplificată în figura 6) are trei faze:

stabilirea circuitului, transferul mesajului şi deconectarea.Calea de conexiune se stabileşte înaintea transferului şi se conectează după acesta. Sunt

necesare schimburi de informaţii între terminale şi centrele de comutaţie sau între centre (semnalizări). Comutatoarele trebuie să poată transfera debitul respectiv şi să ofere conexiuni transparente. Utilizarea circuitului "dedicat" poate fi ineficientă dacă terminalele nu folosesc tot timpul alocat legăturii în condiţii de trafic variabil.

6

Întârzierea este data numai de propagare, iar tratarea semnalelor se tace exclusiv in staţiile terminale care trebuie să fie compatibile (viteză, cod, proceduri, etc.). Reţelele digitale IDN constituie într-o primă fază tot comutaţie de circuite. O aplicaţie sunt centrele de comutaţie PBX ( Private Branch Exchange) destinate interconectării terminalelor telefonice, de date, etc. în interiorul unei clădiri. Acest mod de comutaţie constituie o formă

simplă relativ ieftină şi fiabilă fiind încă considerată operaţională şi în ISDN, BISDN. Tehnologia de bază este comutaţia digitală spaţiale şi / sau temporală.

2.3.2 Comutaţia de mesaje (pachete) a fost iniţial folosită în anumite reţele de date şi tinde să devină tehnologia de bază în reţele de mare viteză. Ea se caracterizează prin memorarea şi retransmiterea mesajelor în fiecare nod al reţelei către destinaţie pe circuite

logice eventual diferite.

Fig.7 Comutaţia de mesaje /pachete

Comutaţia e mesaje presupune adăugarea la mesaj a unor date suplimentare (de ex. pentru identificarea utilizatorului şi pentru dirijarea către destinaţie) care sunt extrase la recepţie. Aceste date suplimentare împreună cu mesajul trebuie să aibă o structură determinată (format) care defineşte:

- antetul (identificare, prioritate, clasificare mesaj, destinaţie, etc.):- date ce trebuie transmise (de lungime nelimitată teoretic);- partea finală cu indicaţii asupra antetului, mesajului, etc.

Fracţionarea unui mesaj în pachete este necesară pentru viteze de transfer mai mari prin reţea implicând memorii RAM de capacitate mai mică în noduri. O astfel de reţea este prezentată în figura 7. Se presupune că A transmite simultan ( multiplexat ) mesaje ( pachete ) către B şi către D. Se poate folosi una din metodele:

a) Datagrame:Pachetele sunt tratate independent, fără legătură cu pachetele anterioare ce aparţin

aceluiaşi mesaj. De exemplu, figura 7, nodul 1 recepţionează de la A: A1B şi A2B destinate lui

Timp de aşteptare la coadă

7

B; El poate alege una din rutele 1-2-B sau 1-3-2-B şi o va alege pe aceea cu "coadă de aşteptare" mai scurtă unde va plasa pachetul ş.a.m.d. . Astfel fiecare nod ia decizii individuale pentru pachetele sosite şi le aşează la coadă pe direcţia pe care acesta o decide. în acest mod nu se garantează secventialitatea mesajelor la destinaţie. Rearanjarea în ordine a acestora şi eventualele decizii privind unele pachete pierdute în noduri defecte cad în sarcina echipamentului de la destinaţie.

b) Circuite virtuale: În mod similar cu comutaţia de circuite, ruta este păstrată pe toată durata conexiunii.

Fiecare pachet poartă un identificator de circuit virtual care va permite nodurilor să-1 transfere în direcţia necesară. Nodurile nu mai iau astfel o decizie de mutare. La un moment dat pot coexista mai multe circuite virtuale active. Controlul erorilor se face după fiecare transport între două noduri succesive. Circuitele virtuale sunt orientate "pe conexiune" ( determinarea rutei se face la stabilirea legăturii ) cu timp de transfer mai mic. Datagramele "fără conexiune" nu supun stabilirea iniţială a circuitului, evită congestia prin redirijare, evită timpul de stabilire.

Fiecare serviciu de transport date se caracterizează prin calitatea acestuia, în sensul că datele transmise nu trebuie să se piardă sau să se încurce. Serviciul "sigur" este acela confirmat dar care consumă timp pentru răspuns. Serviciul neconfirmat este considerat "nesigur". Sunt date pentru care lipsa unor detalii este relativ neimportantă, acestea putând folosi un serviciu neconfirmat ( mai rapid ). Altă categorie de date poate deveni inutilizabilă prin lipsa unor detalii ( pachete ); acestea trebuie să folosească un serviciu confirmat. în general datagramele reprezintă un serviciu neconfirmat ( analog telegramelor fără confirmare).

Rutarea poate fi fixă, „prin inundare" şi adaptivă. în varianta adaptivă poate fi: izolată, distribuită sau centralizată. .

Rutele fixe se pot folosi în reţele de dimensiuni mari deoarece metoda este rigidă. Varianta cu inundare presupune retransmiterea unui pachet sosit într-un nod în toate direcţiile posibile, prin multiplicare. Este astfel posibil ca un pachet sa ajungă de mai multe ori (pe rute diferite) la destinaţie. Numărul acestor „replici" poate fi redus asociind pachetului o informaţie legată de numărul nodurilor traversate. Defectarea unui nod nu va împiedica pachetul să ajungă la destinaţie.

Rutarea adaptivă este optimală, dirijarea pachetelor facându-se pe rutele optime, sistemul intervenind în caz de congestie pentru a egaliza traficul. Algoritmul este mai complex, crescând numărul de prelucrări în nodurile reţelei.

2.4 Semnale analogice şi digitale

Clasa semnalelor care transmit mesaje este destul de largă, cu două categorii principale:• semnal analogic caracterizat printr-o variaţie continuă în timp.

semnal digital discret în amplitudine şi în timp. Un semnal digital este format dintr-un şir de simboluri ce pot avea una, dintr-un set de m amplitudini distincte. Durata τ a fiecărui simbol poate fi cel mult egală cu durata alocată Tb( τ<Tb). Inversul duratei Tb este debitul de simboluri D măsurată pentru m=2, în biţi/secundă [b/s,bps,bit/s] sau byte / secundă [B/s] ( 1 byte = 8 biţi) şi în Baud pentru m>2.

Astfel, un semnal binar (m=2) este reprezentat prin simbolurile "0" şi "1" în varianta unipolară şi "-1","+1" în varianta bipolară; un semnal ternar, totdeauna unipolar (m=3) este reprezentat prin 3 simboluri 0,1,2. Dacă un simbol are o durată τ<Tb, semnalul digital este în format RZ (return to zero), iar pentru τ=Tb, formatul este NRZ ( non return to zero ), prezentat în figura 1. Semnalul binar bipolar (-1,0,1) poate fi considerat ca "pseudo-ternar".

8

Fig. 1 Semnale digitale RZ şi NRZ polare şi unipolare

2.5 Viteza maximă de transfer a datelor într-un canal de comunicaţii

Dacă un semnal arbitrar este transmis printr-un canal asimilat cu un FTJ ideal de bandă B, semnalul filtrat poate fi reconstituit complet prin eşantionarea cu o frecvenţă fe=2B ( o eşantionare cu fe > 2B ar fi inutilă deoarece componentele de frecvenţă mai mare - pe care această eşantionare le-ar putea obţine - au fost deja eliminate prin filtrare ).

Dacă semnalul este reprezentat prin N nivele distincte atunci viteza maximă pentru transferul datelor ar fi, în absenţa zgomotului:

Vmax = 2B lb N bit/sAstfel, printr-un canal de 4kHz vor putea fi transmise 8000 de simboluri binare (N=2)

pe secundă.2.6 Modulaţia

În general, semnalele (primare) uzuale ocupă un spectru mult mai mic decât cel ce poate fi asigurat de un canal de comunicaţii. În plus, aceste canale sunt scumpe şi trebuie folosite eficient mai ales în transmisiunile de distanţă mare.

Se impune utilizarea "în comun" a canalului prin transmiterea simultană a mai multor semnale distincte ( multiplexare ), cu condiţia ca ele să poată fi "despărţite" ( demultiplexate ) la recepţie. De asemenea semnalul transmis trebuie "adaptat" cu parametrii canalului. Printr-o modulaţie adecvată este ,de exemplu, posibilă transmisia de calitate chiar printr-un canal zgomotos ; în plus, banda semnalului poate fi transpusă într-o zonă optimă pentru canal (care să asigure cei mai buni parametrii de transmisie) etc.

Modulaţia este o operaţie de "transpunere" a unui semnal în altul fără a-i modifica sensibil informaţia pe care o poartă.

În procesul de modulaţii intervinurmătoarelesemnale: - s(t) ce conţine mesajul, denumit semnal modulator- P(t) semnalul căruia i se "transferă" informaţia, denumit purtător -sM(T) semnalul modulat obţinut în urma procesului de modulaţie

Clasificarea modulaţiilor în funcţie de s(t) şi P(t) Semnalul s(t) poate fi analogic sau digital (SA sau SD), iar P(t) poate fi un purtător

sinusoidal sau în impuls. Rezultă astfel următoarea clasificare, prezentată în tabelul următor.Tipuri de modulaţie (clasificare)

(A) analogice prin care se modifică un parametru al purtătorului (amplitudine A, intensitate I, frecvenţă F, fază P, poziţie P, durată W, polarizaţie POL etc.) în funcţie de valorile instantanee ale semnalului modulator. Aceşti parametri pot varia continuu în cazul în care s(t) este SA sau prin salt (shift keying) dacă acesta este SD

9

(B) numerice operează o conversie analog numerică între semnalul de la intrare şi cel de la ieşire. Pentru a realiza acest lucru semnalul analogic de intrare de la intrare trebuie exprimat numeric prin eşantionare cuantizare şi codare. Dacă semnalul de intrare este în format digital va fi recodat pentru a se „potrivi" cât mai bine cu canalul prin care se face transmisia.

Mesaj Purtător Modulaţie

SA sinusoidal liniară AM (2BL+P, 2BL, BLU, RBL)

exponenţială FM, PM

în impuls PAM, PFM, PPM, PWM

SD Sinusoidal ASK (00K), FSK, PSK, MSK, DFSK, DPSK...

în impuls PCM, DPCM, A, A adaptiv

Alegerea unei scheme de modulaţie implică unele considerente de tipul: eficienţă spectrală ridicată, eficienţa energetică, imunitate la efecte „multicanal", preţul sistemului şi implementarea simplă ,etc.

2.7 Sisteme cu semnal analogic şi purtător sinusoidalSisteme cu modulaţie de amplitudine 2BL se obţine prin înmulţirea s(t) cu purtătoarea

P(t)= cos ωct. în figura 3 se prezintă schematic procesul de modulare - demodulare.

Fig. 3 Sistem de comunicaţii cu modulaţie de amplitudine cu purtătoare suprimatăÎn această variantă, banda necesară este 2ωmax, dar pentru demodulare este necesară

generarea la recepţie a unui purtător sincron, lucru ce constituie unul dintre dificultăţile importante în acest sistem de comunicaţii.

Transmiterea purtătoarei, adică 2BL+P (full AM), conduce la un semnal modulat având expresia:

SM(t)=s(t) cos ωct + cos ωct (3)într-o astfel de variantă, se elimină generarea purtătoarei la recepţie (fiind posibilă o

10

demodulare simplă prin detecţie de anvelopă), dar sistemul este încărcat în putere, neeficient din punct de vedere energetic.

Pentru multiplexare frecvenţială se foloseşte BLU. O metodă de generare BLU este prezentată în figura 4.

Modulaţia de amplitudine cu rest de bandă laterală este importantă pentru semnale cu componentă continuă (ca în cazul semnalului de TV).

Sisteme cu modulaţie unghiulară

Modulatoarele FM şi PM se pot realiza ca în figurile 5 şi 6.

În cazul unei modulaţii FM cu un purtător dreptunghiular (FSK) se obţine un spectru ca în figura 7.

cosω0t

cosω0t

Generator de impulsuri

11

Fig. 7 Spectrul FM (FSK) Fig. 8 Demodularea semnalului FM

Demodularea semnalelor FM se poate face aşa cum este arătat în figura 8, prin determinarea trecerilor prin zero.

De asemenea, se poate folosi un discriminator de frecvenţă, sau o buclă PLL.Spectrul PM pentru un mesaj sinusoidal este identic cu spectrul FM pentru acelaşi

indice de modulaţie. Dacă este vorba de un mesaj oarecare cu spectru limitat apar diferenţe importante între spectrele semnalelor modulate FM şi PM. Folosirea modulaţiilor exponenţiale este avantajoasă deoarece oferă o protecţie mai bună la zgomot, iar nivelul constant al purtătoarei modulate face ca amplificatoarele sistemului să funcţioneze mai eficient.

2.8 Sisteme cu semnal analogic şi purtător în impuls

Modulaţia impulsurilor în amplitudine (PAM) este o modulaţie de tip produs, care poate fi considerată o operaţie de eşantionare. Semnalul eşantionat are spectru multiplu, obţinut prin translatarea pe scara frecvenţelor a spectrului semnalului neeşantionat. Dacă eşantionarea se face cu impulsuri de o anumită lăţime τ, (figura 9) durata acestora este esenţială pentru întinderea spectrală a semnalului PAM ( banda semnalului

modulat creşte o dată cu scăderea duratei τ ).

Fig. 9 Semnal PAM

Modulaţia impulsurilor în durată (PWM) şi în poziţie (PPM)

Astfel de modulaţii pot fi considerate "modulaţii de timp".Semnalul modulator şi impulsurile modulate în durată şi poziţie sunt prezentate în fig. 10.

Spectrele de frecvenţă ale acestor semnale (PWM şi PPM) sunt mult mai largi decât spectrul semnalului PAM. în

ambele variante nu trebuie să apară suprapuneri între impulsuri.

în ambele situaţii pare avantajos ca τ0 să fie mai mic pentru o dinamică mai mare pentru semnalul s(t), dar comprimarea în timp conduce la extinderea în frecvenţă. Banda mare ocupată de aceste semnale este compensată de o mai bună protecţie la zgomote. Modulaţia impulsurilor în poziţie poate fi avantajoasă pentru sistemele optice deoarece momentul de emisie al unui impuls optic scurt cu amplitudine mare poate fi controlat cu uşurinţă , iar banda fibrei suportă spectrul PPM.

Fig. 10Modulaţia în durată şi poziţie(mesaj şi semnale modulate)

12

2.9 Sisteme digitale (mesaj digital şi purtător sinusoidal)

Sisteme ASK( Amplitude Shift Keving)

O variantă des utilizată este OOK ( On-Off Keying ), în care se transmite sau nu o purtătoare sinusoidală ( fig. 11) pentru simbolurile „1" şi „0" respectiv.

Fig.ll Semnal ASK corespunzător secvenţei ...10110.... având Tb=2Ts

Sisteme digitale BPSK (purtător sinusoidal cu salt de faza şi mesaj binar) (Binary Phase Shift Keying)

Purtătoarea este o undă sinusoidală cu perioada Ts, iar semnalul digital este binar cu durata unui bit Tb = — în figură semnalul digital este exprimat unipolar prin: d(t) =...1, 0, 1, 0, 1, ... şi bipolar prin b(t) = ...+1, -l, +1,-1, +1 ... .Semnalul purtător este P(t) = cos ωst,

unde iar semnalul modulat are

expresia: VBPSK(T) = b(t) cos ωst.

Fig. 12 Semnal BPSK',-

corespunzător secvenţei ..10101..

O legătură BPSK poate fi schiţată ca în fig. 13.

Fig. 13 Sistem BPSK (emisie şi recepţie)

Modulaţia BPSK este "coerentă" deoarece la recepţie este nevoie de un semnal cosωst cu aceeaşi fază şi frecvenţă ca şi cel de la emisie. Semnalul, la intrarea în receptor va fi cos(ωst+θ) (neglijând zgomotul termic, jitterul, fluctuaţia de propagare).

13

Semnalele Sa şi Sb sunt impulsuri scurte generate de un bloc ( syncro bit) care recunoaşte sfârşitul şi începutul intervalului de bit (figura 14).

Sb eşantionează ieşirea aproximativ în momentul kTb, iar Sa iniţializează circuitul de integrare.

Fig. 14 Forme de undă syncro bitSpectrul semnalului BPSK este centrat pe ωc (fc) având aproximativ lărgimea de bandă

2fb,.Dacă se multiplexează frecvential canale BPSK fără să se limiteze banda pot apare interferenţe ( suprapunere de spectre ), iar dacă se limitează banda apar interferenţe intersimbol. Acest lucru este ilustrat în fig. 15.

Fig. 15 Spectrul G(f) al unui semnal de date bipolar NRZ si spectrul corespunzător al semnalului modulat BPSK.

Fig. 16 Probabilitatea de eroare în BPSK

Comparativ cu OOK, în BPSK este necesară o putere medie a semnalului redusă la jumătate pentru a asigura aceeaşi probabilitate de eroare.

Sisteme DPSK (Modulaţie diferenţială cu salt de fază DPSK)( Differential Phase Shift Keying )

O legătură DPSK este reprezentată principial în figura 17.

14

Considerând toate posibilităţile pentru d(t) şi d'(t-Tb) se obţin semnalele d'(t) şi b(t).

Se observă: (din primele două linii)

• Dacă d'(t) = 0, d'(t) nu se modifică, adicăD'(t) =d'(t-T b),

•Dacă d'( t) = 1, d'(t) = d'(t-Tb) Această observaţie sugerează principiul decodării:

d(t) d'(t-Tb) d'(t) b(t)

0 0 0 -1

0 ' 1 1 +1

1 0 1 +1

1 1 0 -1

15

=> d(t) = O,

=> d(t) = l

DPSK are avantajul că nu este necesară extragerea tactului la recepţie.

Sisteme de comunicaţii cu modulaţie de faza în cuadratură QPSK ( Quadrature Phase Shift Keying )

Este o tehnică prin care banda necesară se poate reduce la fb (faţă de 2fb de la BPSK). Fluxul de date este divizat cu două basculante de tip D în două secvenţe par şi impar.

În figura 19 este prezentată schema bloc a etajului de modulaţie care face parte din emiţătorul sistemului. Datele unipolare de la intrare sunt aplicate celor două basculante care primesc un tactul în antifază ; semnalele de ieşire corespund datelor pare (pe ramura de sus) şi impare (pe latura de jos).

Fig.19 Modulator QPSK şi forme de undă

dacă produsul b(t) • b(t-Tb) = 1

iar dacă b(t) • b(t-Tb) = -l

Fig.20 Vectori în QPSK

Aceste secvenţe unipolare (0,1) de frecvenţă pe jumătate sunt transformate în secvenţe bipolare (-1,+1) ce sunt aplicate unor modulatoare echilibrate iar rezultatele însumate.

În figura 19 sunt prezentate şi forme de undă caracteristice. Se observă că bp şi bi, nu se modifică niciodată simultan.Receptorul QPSK este prezentat schematic în fig. 21. Funcţionarea pe fiecare ramură este similară demodulatorului BPSK.

Sisteme QASK ( Quadrature Amplitude Shift Keying)

QASK este o modulaţie simultană în fază şi amplitudine. De exemplu, pentru fiecare grup de N = 4 biţi succesivi dintr-un debit binar se asociază 16 vectori.

Sisteme digitale( BFSK-MSK ) - modulaţie binară cu salt de frecvenţă

MSK ( Minimum Shift Keying ) este o modulaţie cu salt de frecvenţă şi continuitate de fază. în figura 22 sunt reprezentate formele de undă în cazul acestui tip de modulaţie

Fig.22 Forme de undă în MSK

Banda semnalului MSK poate fi considerată aproximativ 1,2 fb,.O variantă a MSK(fig. 23) este GMSK .

Semnalul MSK este trecut la emisie printr-un FTJ Gaussian obţinându-se performanţe superioare privind eficienţa spectrală.

Fig. 23 Obţinerea GMSK pornind de la MSK

Sisteme BFSK - modulaţie binară cu salt de frecvenţă

BFSK poate fi realizată şi fără continuitate de fază, de exemplu, ca în varianta din figura 24. Semnalele; PH(t) şi PL(t) se obţin din d(t) după regula din tabelul următor:

Fig. 24 Sistem BFSK şi spectrul semnalului modulat

d(t) b(t) PH(t) PL(t)

+1 +1 + 1 0

0 -1 0 +1

Dacă "distanţa" minimă dintre fH şi fL este 2fb, pentru VBFSK(t) spectrul va fi aproximativ 4fb (dublul celui din BPSK) v. figura 24

La recepţie, FTB sunt centrate pe frecvenţele fH şi respectiv fL şi au lărgimea de bandă 2fb,.

2.10 Sisteme cu modulaţia impulsurilor în cod (PCM, MIC)

Transformarea unui semnal analogic într-unul numeric, sau modulaţia impulsurilor în cod (PCM) presupune eşantionarea, cuantizarea şi codarea eşantioanelor cuantizate. Operaţia de cuantizare poate să urmeze sau să o preceadă pe cea de eşantionare, rezultatul fiind acelaşi.

Eşantionarea este operaţia prin care semnalul s(t) este înlocuit printr-o succesiune de impulsuri scurte (de durată τ), periodice (având perioada Te) şi de amplitudine s(kTe). Această prelucrare reprezintă o modulaţie a impulsurilor în amplitudine (PAM), astfel canalul de comunicaţii rămâne liber pe fiecare durată Te-τ fiind folosit în acest timp pentru transmisia altor informaţii (multiplexare temporală) . Dacă Te <1/2 Δf (unde Δf = fmax - fmin reprezintă banda de frecvenţă a semnalului analogic) şi τ→0, atunci semnalul analogic poate fi refăcut fără distorsiuni din eşantioanele sale.

Eşantionarea cu x → 0 este eşantionarea ideală. Dacă τ ≠0 şi pe durata kTe ÷ kTe+τ eşantionul are amplitudinea variabilă s(t), atunci eşantionarea este cu „menţinere" (figura 25 ).

Dacă spectrul S(ω) al semnalului s(t) este finit atunci spectrul semnalului eşantionat ideal S*ideal(ω) este multiplu ca în figura 26, unde ωe = 2π / Te este pulsaţia de eşantionare.

Fig. 26 Spectrul semnalului eşantionat ideal

Se observa ca daca ωmax < Ωe - ωmax semnalul poate fi refăcut din eşantioanele sale pentru că spectrele nu se suprapun (Ωe> 2ωrmax). Semnalul eşantionat are un spectru S*(ω) ce constă într-o repetare ponderată a spectrelor S(ω). Dacă eşantionarea este naturală sau „cu menţinere", atunci spectrul S*natural(ω) şi

S*menţinere(ω) vor avea alura din figura 27.

Fig.27 Spectrul de frecvenţă în eşantionarea naturală şi cu menţinere

Eşantionarea naturală nu introduce distorsiuni liniare. Pentru eşantionarea cu menţinere, spectrul S *(ω) conţine replici distorsionate ala spectrului original, fiind necesară o corecţie a spectrului extras pentru a se putea reface din eşantioane, semnalul original.

Această atenuare a frecvenţelor înalte (efecte de apertură) este mai pregnantă în cazul eşantionării în scară.

Eşantionarea naturală se obţine cu un comutator activat de un semnal dreptunghiular periodic, ca in figura 28 iar cel în scară ca în figura 29.

Fig. 28 Eşantionarea naturală Fig. 29 Eşantionarea cu menţinereÎn cazul eşantionării "în scară" spectrul este prezentat în figura 30. Acest mod de

eşantionare este preferat în sistemele de comunicaţii (telefonice) deoarece informaţia este menţinută un timp mai îndelungat la intrarea cuantizorului.

Atenuarea la frecvenţa cea mai mare ωmax va fi:

ΔA=20lg(π/2)=3.9dB (32)

Fig. 30 Distorsiuni liniare în eşantionarea cu menţinere (scară)

Cuantizarea este o operaţie prin care se aproximează eşantioanele s(kTe) prin cele mai apropiatevalori dintr-un set finit de n valori alese ( nu neapărat echidistante ), s(kTe) = s(kTe). Astfel, o infinitatede posibilităţi se reduce la un număr finit care poate fi reprezentat printr-un cod. Este clar că prin

procesul de cuantizare semnalul original s(t) este ireversibil distorsionat, lucru care poate fi privit ca oadăugare a unui "zgomot de cuantizare": s(t) = s(t) + e(t). Zgomotul de cuantizare se adaugăzgomotului ce însoţeşte semnalul la intrarea cuantizorului. Eşantioanele s(kTe) devin prin cuantizares(kTe). Sunt trei posibilităţi de aproximare a eşantioanelor ( figura 31): aproximarea prin lipsă (1),aproximarea prin exces (2), sau, mai uzual, aproximarea prin valoarea cea mai probabilă ( de lajumătatea intervalului) dintre două nivele de decizie (3). în figura 31 este exemplificat cazul cu nc = 8 nivele de cuantizare (număr par) şi n+1 nivele de decizie (nd).

Fig 32 Semnal de eroare m cuantificarea uniformă cu un umăr par de nivele de decizie

Eşantionul cuantificat va fi exprimat prin B biţi ( ad-1, ad-2, . . . , ao) şi va avea valoarea: ŝ(kTe). Intervalul (-Amax, Amax) de lăţime 2Amax va fi împărţit în n = 2B, deci o treaptă de cuantizare va fi: Δ=2Amax/2 . Dacă Δ=constant, cuantizarea este uniformă , iar dacă Δ este variabil, cuantizarea este neuniformă. Dacă Δ se alege mai mic în zonele de probabilitate ridicată ale amplitudinii semnalului şi mai mare, cu cât această probabilitate scade, procesul de cuantificare este adaptivă (depinde de statistica staţionară a semnalului).Astfel, se admite o eroare mare pentru semnale mari şi o eroare mică pentru valori mici încercând ca raportul semnal- zgomot să fie constant în tot domeniul de amplitudini.

Este posibil ca nivelul "0" să fie nivel de decizie ( n=par ) ca în figura 31, sau nivel de cuantizare ( n = impar ) ca în figura 32. În această variantă, ( 0 - nivel de cuantizare ) se prezintă componenta de zgomot ce apare în acest proces.Varianta cu "0" nivel de cuantizare este avantajoasă deoarece zgomotul în jurul valorii 0 (în absenţa semnalului ) de la intrarea cuantizorului este eliminat la ieşire. Problema, este găsirea numărului minim de nivele de cuantizare pentru a putea menţine raportul semnal-zgomot în limite rezonabile.

După ce semnalul a fost cuantificat uniform, el este codat, fiecare eşantion fiind exprimat printr-un număr binar cu B simboluri. De exemplu, pentru B = 8 se obţin 256 nivele. Ele pot fi codate în diverse variante ca în tabelul următor ( unde au fost definite primele 8 nivele ).

Fig.31 Cuantificare uniformă număr impar de nivele de decizie)

Alegerea pentru telefonie a unui cod sau a altuia se face având în vedere frecvenţa ridicată a semnalelor de amplitudine mică. Un cod binar repliat ar conduce la serii lungi de zerouri care favorizează extragerea ceasului în procese de recepţie. Nici o inversare la trecerea prin zero a tuturor biţilor nu este o soluţie ( codul binar repliat)

Cod binar decalat

Cod binar repliat

Cod binar repliat cu inversiunea biţilor de rang

par

Cod Gray decalat

+127 +127 +127 +1271 0 0 1 1 1 1 0 0 1 1 0 1 0 0 1 0 1 1 0 0 1 0 0 1 0 0 0 1 1 1 0 0 0 1 0

+1→1 0 0 0 01 0→l 0 0 0 0 0

1 0 0 1 1 1 1 0 0 1 1 0 1 0 0 1 0 1 1 0 0 1 0 0

1 0 0 0 1 1 1 0 0 0 10

+l→10 00 0 1 +0→1 0 0 0 0 0

1 1 0 1 0 0 10 1 1 0 1 0 0 1 1 1 1 0 1 0 0 0 0 1 1 0 10 0 0 1 1 1 0 10 1 1 0 1 1 0 1 0 1 1 1

+ 1 1 1 0 1 0 1 0 0 + 0 1 1 0 1 0 1 0 1

1 1 0 0 1 0 0 1 1 0 0 101 1 1 0 0 1 1 1 1 1 0 0 1 1 0 1 10 0 0 1 0 1 1 0 0 0 1 1

+ 1 1 1 0 0 0 0 1 01 1 0 0 0 0 0

-l→0 1 1 111

0 1 1 1 1 0 0 1 1 1 0 1 0 1 1 1 0 0 0 1 1 0 1 1 0 1 1 0 1 0

0 1 1 0 0 1 01 1 0 0 0

-0→0 0 0 0 0 0 -l→000 00 1

0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 1 1 0 0 0 1 0 0 0 0 0 1 0 1 0 0 0 1 10 0 0 0 1 1 1

- 0 0 1 0 1 0 1 0 1 +10 1 0 1 0 1 0 0

0 1 0 1 0 1 1 1 0 1 0 1 0 1 1 0 0 1 0 10 0 0 10 1010 0 0 0 0 1 0 1 0 0 1 1 0 1 0 1 0 0 1 0

-10 1 0 0 0 0 0 010 0 0 0 10 1 0 0 0 1 1 0 1 0 0 0 10 0 1 0 0 1 1 0 0 1 0 0 1 1 1 0 1 0 0 1 0 1 0 1 0 0 1 0 0

-128 -128 -128 -128

Din aceste motive se preferă de exemplu un cod binar repliat cu inversiunea biţilor de rang par, ( ADI = Alternate digit inversion ).

Cuantizarea uniformă

Dacă distanţa dintre două nivele de decizie este constantă (Δ = ct.), cuantizarea este uniformă.

Cuantizarea neuniformă ( CN)

Dacă repartiţia amplitudinilor semnalului în intervalul de cuantizare este neuniformă, legea de cuantificare trebuie să fie adaptată statisticii semnalului, pentru a obţine cu acelaşi

număr de biţi/cuvânt un RSZ superior cuantificării uniforme în domeniul în care acesta este insuficient.

În practica transmiterii semnalului de convorbire telefonică, acesta este considerat aproximativ gaussian, centrat pe valori reduse.

Fig. 33 Cuantificarea neuniformăCuantificarea neuniformă poate fi realizată prin trei procedee echivalente ca

rezultat (în varianta ideală ):- compresie - expandare analogică- compresie - expandare digitală- cuantificare neuniformă - propriu-zisă.

Pentru a preciza parametrii procesului de cuantizare se consideră varianta analogică de compresie / expandare ( figura 34 ).

Fig.34 Posibilitate de a realiza cuantizarea neuniformă

Fig. 35 Legea "A" pentru cuantizare neuniformă.

Fig.36. Reprezentarea prin segmente a legii de compresie - Legea A13

Compresia analogică impune o reciprocitate perfectă a compresorului şi expandorului de dinamică, greu de pus în practică. Legea Al3 comportă 13 segmente liniare a căror pantă descreşte de la 16:1 până la 1:4. în interiorul fiecărui segment, cuantificarea este uniformă cu 16 nivele. Rezultă o creştere cu un factor 2 al pasului de cuantificare pe măsură ce semnalul de intrare creşte.

Cuantizorul numeric converteşte semnalul de intrare x ( O...Vmax ) într-un număr binar exprimat prin B = 8 bit; —>Y ( s l1 l2 l3 V1 V2 V3 V4) unde:

- s este bit de semn (1 pentru semnale pozitive şi 0 pentru semnale negative );- l1 l2 l3 reprezintă cei trei biţi care exprimă segmentul corespunzător semnalului

x curent;- V1 V2 V3 V4 sunt patru biţi ce exprimă poziţia eşantionului x curent în cadrul

segmentului (0... 15).

Fig.37 Cuantizare A13 digitalăCuantificarea numerică se realizează prin codarea cu 12 biţi a semnalului de intrare (conversie

analog numerică, CAN) după care se trece la 8 biţi (eşantion după regula prezentată în tabelul de mai jos) pentru valori pozitive ale semnalului de intrare .

În tabelul următor se detaliază funcţionarea compresorului digital.Zonele din dreapta biţilor marcaţi reprezintă detalii pierdute ( cu ocazia trecerii de la 12 la 8

bit) sunt înlocuite cu zerouri în procesul de extensie numerică. Pentru segmentul 0 şi 1, celor 32 valori de intrare le corespund 32 valori de ieşire, pentru segmentul 2, la fiecare două valori de intrare corespunde una de ieşire, pentru segmentul 3 la fiecare patru valon de intrare corespunde una de ieşire ş.a.m.d., ajungându-se ca pentru segmentul 16, la 64 valori de intrare să corespundă una de ieşire.

Deci o memorie ROM cu 4096 de adrese în care sunt scrise 256 de numere binare cu 8 biţi poate realiza compresia numerică.

Fig. 46 Variantă de compresie digitală

Pentru alte tipuri de semnale ( altele decât cele telefonice ) se utilizează fie cuantizarea uniformă (muzică: fe = 32 kHz, B = 14 bit, D = 32.14 = 448 bit/s; televiziune: fe = 13,3 MHz, B = 9 bit şi D = 110 Mbit/s ), sau neuniformă ( muzică: fe = 32 kHz, B = 12 bit şi compresie cu 5 segmente, D = 384 kbit/s sau cu legea A13, B = 10 bit, D = 320 kbit/s ), obţinându-se o reducere a debitului de simboluri în condiţiile unui RSZ acceptabil.

2.11 Sisteme primare de bază

Sunt sisteme cu gradul cel mai redus de multiplexare utilizate în telecomunicaţii ce stau la baza realizării sistemelor de ordin superior.

2.11.1 Sisteme de comunicaţii analogice (SCA)

Un sistem de comunicaţii analogic (figura 1) primeşte informaţii de la mai multe surse analogice pe care le multiplexează frecvenţial.

Fig.l Schema bloc a unui sistem de comunicaţii analogic unidirecţionalMultiplexul poate fi apoi modulat într-un format potrivit, adaptat parametrilor de transmisie

ai canalului. La recepţie, există un demodulator frecvenţial şi un demultiplexor la ieşirea căruia se obţin , semnalele analogice: SA1 SA2... SAn. Observaţii:

*La intrarea sistemului se aplică un semnal de bandă dată B ce poartă o informaţie analogică.

• Modul de transmisie are o caracteristică de transfer particulară pe care trebuie transmise optim semnalele analogice multiplexate. În general SCA au o frecvenţă pilot cu nivel definit pentru măsurători ale transmisiei.

• Modulaţia uzuală este AM - BLU iar multiplexarea FDM prin AM, FM, PM, PPM.

• Zgomotul adăugat pe canal are densitate spectrală uniformă (alb) nivelul calculându-se în banda B.

• Micşorarea prin propagare pe canal a raportului semnal zgomot (RSZ) limitează distanţa pe care poate avea loc transmisia. Există tehnici de prelucrare a semnalului (compresie - extensie) care îmbunătăţesc într-o oarecare măsură performanţele sistemului.

• Utilizările SCA sunt legate de:

- transmisiile telefonice cu curenţi purtători ( SCP );

- reţelele CATV (televiziune prin cablu);

- radiocomunicaţii analogice cu fascicole hertziene;

- transmisii locale prin fibre optice în medii poluate electromagnetic etc..

Schema bloc a unui sistem de curenţi purtători cu 12 canale ( SCP ) este exemplificată în figura 2. Multiplexul frecvenţial, grupul primar de bază se obţine prin deplasarea spectrelor semnalelor de intrare ( 0 - 4 kHz ) în gama 60 - 108 kHz (48 kHz = 12 x 4 kHz).

Fig.2 Schema bloc a unui SCP 12 căi

Modulaţia AM - BLU permite folosirea eficientă a benzii de frecvenţă a canalului, dar impune recuperarea fiecărei purtătoare la recepţie. În schema bloc prezentată, GPB este realizat prin translaţie directă.

Se utilizează 12 FTB, 12 modulatoare echilibrate ( ME ) şi 12 purtătoare diferite. FTB sunt pretenţioase şi trebuie realizate cu cristale de cuarţ sau electromecanice.

O variantă ar fi translaţia cu pregrupe; astfel, canalele 1, 4, 7, 10 vor fi translatate fiecare în banda 12 - 16 kHz, canalele 2, 5, 8, 11 în 16 - 20 kHz iar 3, 6, 9, 12 în banda 20 -24 kHz .Astfel se formează 4 pregrupe cu banda 1 2 - 2 4 kHz care vor fi tranzlatate în banda 60-108 kHz folosind purtătoarele 84 kHz, 96 kHz, 108 kHz, 120 kHz şi schema bloc a emiţătorului este prezentată simplificat în figura 3.

Sistemul are 12 modulatoare şi filtre de cale ( de trei feluri 12-16, 16-20, 20-24 kHz ) şi 4 modulatoare şi filtre de pregrupă. FTB de cale sunt pretenţioase la fel ca şi în cazul translaţiei directe dar nu sunt 12 diferite ci numai 3 iar FTB de pregrupă sunt mai puţin pretenţioase datorită distanţei mai mari între purtătoare şi banda laterală. Din aceste observaţii rezultă ca cea de-a doua metodă este mai economică.

Fig.3 Schema SCP12 cu "pregrupe"(emisia, formarea multiplexului)

2.11.2 Sisteme de comunicaţii digitale primare (PCM-30)

Sistemele de comunicaţii digitale (SCD) asigură transmiterea informaţiilor (în format digital) preluate de la mai multe surse, ca în figura 4.

Aceste sisteme pot funcţiona în mod sincron ( cu sincronizare între emiţător şi receptor la nivel de bit sau cuvânt) sau asincron start - stop ( fără nici o sincronizare între emisie şi recepţie; emisia unui grup de biţi se fixează arbitrar iar receptorul recunoaşte grupul de biţi prin informaţii de tip start -stop).

Fig.4 Schema bloc(pentru un sens) a unui sistem digital primar

Fluxurile binare de ieşire pot fi transmise în serie pe acelaşi suport sau în paralel pe mai multe suporturi diferite (magistrala de transport a informaţiei).

• MUX- realizează multiplexarea temporală –TDM;• CS - codor sursă ;

De obicei informaţia digitală de la ieşirea MUX este recodată pentru ca fiecare simbol să poarte maximul de informaţie posibilă ( realizează o eficientizare a sursei, care de obicei este redundantă );• CC - codor canal;

este necesar pentru a adapta informaţia digitală la parametrii canalului de transmitere. Un canal zgomotos reclamă o codare suplimentară care să compenseze ( corecteze ) erorile transmisiei prin canal.• De multe ori informaţia digitală obţinută la ieşirea CC este modulată, în cadrul unei ultime operaţii, necesare pentru a optimiza transmiterea semnalului pe canal.La recepţie, operaţiile sunt executate în ordinea inversă celor de la emisie prin DMUX, decodoarele de canal şi sursă DC şi DS.

Caracteristice unui SCN sunt:- debitul simbolurilor ( debit binar D);- numărul de căi;- modul de organizare secvenţială ( sincronizare, semnalizare );- particularităţi de modulaţie ( eşantionare, legea de cuantificare, cod folosit);- parametrii de transmisie.

SNC sunt avantajoase în raport cu SCA deoarece:- calitatea transmisiei este independentă de distanţă; pe căile analogice fiecare repetor amplifică deopotrivă şi semnalul şi zgomotul (care este cumulativ), RSZ scade cu lungimea de transmisie până la valoarea minimă acceptată - lungimea legăturii este limitată .- rezistenţa ridicată la perturbaţii a semnalelor codate;- posibilitatea de a transmite semnale diferite pe canale digitale;

- beneficiază permanent de progresele atinse în tehnologia digitală.

Sisteme digitale primare

Atunci când N căi numerice (A, B, C ... Z ) de "x" biţi fiecare Te sunt "asamblate" într-un multiplex temporal ( TDM ), ansamblul de Nx biţi trebuie transmis în acelaşi timp T e. Sunt posibile două moduri de a organiza multiplexul temporal ( fig.5 ):

a) transmiţând pe rând cuvintele corespunzătoare celor N căi (cuvinte succesive);b) transmiţând pe rând biţii de acelaşi rang corespunzători celor N căi (biţi succesivi);

Cele două situaţii (2 "cadre" posibile ) sunt prezentate în figură.

Fig.5 Structura temporală a unui cadruVarianta a) prezintă avantaje din punct de vedere al modulatorului PCM, iar varianta b)

sepreteaza la o comutaţie mai simplă.În fiecare cadru sunt necesare şi informaţii suplimentare care să permită sincronizarea

sistemului (emisie - recepţie) şi transmiterea informaţiei de semnalizare.Sincronizarea este necesară pentru ca echipamentul de recepţie să interpreteze corect fluxul

de date pe care-1 primeşte ( demultiplexare corectă a căilor ). Odată obţinută sincronizarea, receptorul are nevoie de un reper temporal periodic ( cuvânt de sincro ) pentru a detecta şi controla eventuale decalaje.

Cuvântul de sincronizare poate să apară "grupat" într-un cadru la începutul acestuia, sau poate fi”repartizat" la intervale regulate de cadru. De obicei cuvântul de sincro se transmite grupat odată la două cadre pentru a fi posibilă confirmarea sincronizării. Alegerea cuvântului de sincro trebuie să evite "imitarea" acestuia de către cuvintele purtătoare de informaţie.

Sistemul trebuie să asigure blocarea receptorului dacă sincronizarea s-a pierdut la recepţie ( după câteva verificări ) şi să "anunţe" acest lucru în sens invers ( către emiţător ).Semnalizarea are ca obiect transmiterea informaţiilor auxiliare cu caracter numeric de la centrală la centrală pentru a asigura operaţiile de comutaţie şi gestiune a reţelei. Sunt posibile mai multe soluţii:a) Semnalizarea în interiorul octetului prin modificarea periodică a unor biţi nesemnificativi dintr-un octet. Rezultă o degradare imperceptibilă a transmisiei telefonice, dar apare o restricţie importantă în transmisiile de date.b) Semnalizarea în afara octetului (cale cu cale). Se adaugă astfel fiecărui octet de informaţie unul sau mai mulţi biţi de semnalizare.c) Semnalizarea poate fi grupată într-un interval temporal destinat, informaţia de semnalizare fiind atribuită ciclic căilor sistemului. ( Debitul de semnalizare este Ds= [64 Kbit/s] /N). d)Semnalizare prin canal semafor. în această situaţie există un interval consacrat, atribuit la nevoie unui canal.

Informaţia de semnalizare poartă "eticheta" căii la care se referă.În Europa, America şi Japonia ierarhia de multiplexare pentru SC digitale este

standardizată. Astfel PCM primar european; multiplexează 30 de canale telefonice, C1, C2 .. C30. Cadrul de 125 μs este organizat ca în figura 59 având 32 de intervale I1, I2 ... I31 cu durata de 3,9 μs.

Fig.6 Cadru temporal pentru PCM 30

Astfel în intervalele I1, I2 ... I15 se transmite octetul corespunzător căilor C1, C2 ... C15 iar în intervalele I17 ... I31 cel corespunzător căilor C16 ... C30.

Intervalul "0" al cadrelor impare este utilizat pentru a transmite un octet special de sincronizare (X0011011), iar intervalul "0" ( poziţia 3) al cadrelor pare se transmite un bit de alarmă, A, pentru a anunţa, (prin A = 1) pierderea sincronizării în celălalt sens de transmisie.

Semnalizarea (de linie, de selecţie) se face în intervalul 16 cu 4 biţi/cale, fiind necesare 15 cadre pentru cele 30 de căi. Adăugând al 16-lea cadru (cadrul "0") se obţine multicadrul din figura 7.

Fig.7 Multicadru de semnalizare PCM 30În fiecare cadru "O" al unui multicadru, în intervalul al 16-lea se transmite octetului 0000XXXX pentru a permite sincronizarea multicadrului. Biţii notaţi cu X pot fi utilizaţi (de exemplu în sistemul european XXXX = 1A11), sau sunt rezervaţi pentru aplicaţii viitoare. Pe intervalul i = 0 se transmite informaţia de semnalizare pentru cadrul 0 şi 15.

Fig. 8 Un sistem PCM 30 bidirecţional

Pe intervalul i = 1 se transmite informaţia de semnalizare pentru cadrul 1 şi 16.

D=(4bit/2ms)=2kbit/s;Debitul unei căi este D=8bit/125μs=64kbit/s, iar debitul de ieşire al SCN primar.D=8bit/3.9μs = 2,048kbit/s sau D = 30 căi x 64 kbit/s + 64 kbit/s/sincro + 64 kbit/s/semnalizare.

Terminalul de abonat TA este legat prin linia de abonat LA la un sistem diferenţial SD care face trecerea de la 2 la 4 fire separând sensurile de transmisie.

Schema bloc a multiplexului primar PCM 30 este prezentată în figura 9.

Fig.9 Schema bloc pentru PCM 30

La terminalul stânga PCM 30 se conectează 30 de linii telefonice din centrală şi în terminalul din dreapta echipamentul de linie cu debitul de 2,048 Mbit/s ce poate fi transmis către un SCN de ordin superior sau direct printr-o linie cu cablu coaxial sau radioreleu, de exemplu.

Semnalul vocal trece la emisie prin sistemul diferenţial SD după care intră în codec. Blocul ADI ( Alternate Digit Inversion ) inversează biţii de rang par. Înserarea cuvintelor de "syncro" şi a semnalizării "înainte" către o centrală distantă se realizează în registrul de asamblare. Toate blocurile sunt controlate de un ceas propriu . Semnalul digital de la ieşirea registrului de asamblare este transmis codorul de linie care îl transformă într-o variantă bipolară şi îl transmite pe linie.

La recepţie, semnalele sunt prelucrate în mod similar dar în sens invers. Tactul este însă recuperat din linie şi transmis blocurilor numai după stabilirea sincronizării.

Sincronizarea sistemului primar PCM 30

Se defineşte o stare sincronizată S a unui sistem ( PCM 30 ) şi o stare nesincronizată NS. Sistemul va verifica sincronizarea (VS ) la fiecare cadru recepţionat.

În cadrul procesului de verificare a sincronizării sunt posibile şi stările de "pierdere a sincronizării" (PS ) şi de confirmare a sincronizării ( CS ). În figura 10 se prezintă organigrama de sincronizare a sistemului conform avizului G732/CCITT. Se remarcă următoarele:

Histerezisul procesului de supraveghere: pierderea sincronizării este acceptată după 3 absenţe (nepotriviri) consecutive ale cuvântului de sincronizare.

Confirmarea sincronizării se face prin prezenţa bitului B2 = 1 în cadrul par ce urmează cadrului în care a fost recunoscut cuvântul de sincronizare.

Anunţarea pierderii de sincronizare către emisie prin punerea bitului A = 1.Durata procesului de sincronizare poate fi după caz între 250 - 375 μs, pentru un sistem

primar.

Fig.10 Organigrama sistemului de sincronizare

2.13 Sisteme de comunicaţii de ordin superior

2.13.1 Metode de multiplexare

•Multiplexarea frecvenţială ( FDM ) constă în translatarea prin modulaţie a spectrelor limitate ale semnalelor analogice într-o bandă de frecvenţă superioară, fără ca aceste spectre să se

suprapună. În figura 1 este exemplificată formarea unui multiplex frecvenţial ( grup primar de bază - GPB ) în telefonie; cele 12 canale analogice având banda de 4 kHz sunt translatate prin modulaţie în amplitudine cu bandă laterală mică ( superioară) şi purtătoare suprimată (MA-BLU-PS ) în domeniul spectral 60 kHz - 108 kHz.

Fig.l Formarea grupului primar de bază

•Multiplexarea temporală (TDM ) a) pentru semnalele analogice:Un semnal analogic de bandă limitată ( Af = fmax - fmin ) poate fi reprezentat prin eşantioanele

sale dacă acestea sunt prelevate suficient de des, cu o frecvenţă de eşantionare fe>2Af, fe = 1/Te. Dacă eşantioanele cu durata x<Te ale acestui semnal voi fi transmise la distanţă, rezultă că în fiecare interval ( Te - T ) canalul de comunicaţii rămâne liber, putând fi utilizat pentru transmiterea altor eşantioane ce aparţin unor semnale asemănătoare. Atunci, în fiecare interval Te pot fi transmise N eşantioane cu condiţia ca <Te/N. Principiul este ilustrat în figura 2.

Fig. 2 Principiul multiplexării temporale a semnalelor analogice

b) pentru semnale digitale:Principiul este prezentat în fig. 66, 67(a,b) pentru 2 canale sincrone în variantele bit cu bit şi

cuvânt cu cuvânt. Afluenţii au acelaşi debit Do = 1/Tb. Debitul de ieşire va fi De= 1/Tb= l/(Tb/2) = 2D0. In general, pentru N canale multiplexate, De = N-D.

Fig. 3 Principiul multiplexării temporale Fig. 4 Multiplexarea temporală a semnalelor digitale "bit cu bit" "cuvânt cu cuvânt"

Fig. 5 Posibilitate de realizare a TDM "cuvânt cu cuvânt"In figura 5 se arată un exemplu de realizare a multiplexării temporale cuvânt cu

cuvânt (4 bit/cuvânt). In sistemele reale ( aflate la distanţă ) apar diferenţe între frecvenţa şi faza afluenţilor. Tactul ( ceasul ) sistemului de multiplexare şi al afluenţilor este produs de circuite

diferite. ceşti afluenţi se numesc plesiocroni.

Astfel D1≠D2 ≠ Do. Dacă, de exemplu D1>Do în fluxul de ieşire pot lipsi din când în când

anumite simboluri ale afluentului 1, iar dacă D2<Do anumite simboluri din fluxul de date al afluentului

2 se vor repeta în fluxul de ieşire (figura 6).

Fig.6 Multiplexarea temporală a afluenţilor plesiocroni

Fiecare afluent are alocata cate o memorie elastica înscrisa pe ceasul propriu al afluentului (

regenerat din fluxul digital) şi citită cu un ceas fix al multiplexorului. Gestionarea ei se face cu doi

pointeri: unul de intrare PI şi unul de ieşire PO comandaţi de afluent, respectiv de multiplexor. Dacă

debitul afluentului este mai mare ( afluent rapid ), memoria corespunzătoare se va umple, iar dacă

afluentul este lent, memoria se goleşte. Capacitatea memoriei este dimensionată din compromisul între

posibilităţile de absorbţie a variaţiilor de debit şi întârzierile introduse în linia digitală.

TDM este avantajos deoarece poate fi tratat în tehnologie digitală. De multe ori, sursele ce

trebuie multiplexate temporal sunt în format analogic, fiind necesară "digitalizarea" acestora prin

modulaţie PCM ( DPCM ) înainte. Evenimentul care realizează acest lucru este "CODEC", care, în

telefonie (4 kHz/cale), eşantionează semnalele de 8000 ori într-o secundă, le cuantizează aproximând

variaţia continuă printr-o variaţie în scară cu 256 nivele, după care reprezintă fiecare nivel cu 8 biţi.

Având în vedere că eşantioanele obţinute nu sunt total independente ( există între ele o corelaţie ) există

metode statistice utilizate pentru a reduce debitul de informaţie al sursei.

O metodă utilizată curent este DPCM, care codează numai diferenţele dintre eşantioane, având, în vedere că în semnalul vocal ( dar şi în altele ) variaţiile mari şi bruşte sunt puţin probabile. O extindere a metodei este modulaţia A, care codează cu ±1 numai relaţia de ordine dintre 2 eşantioane succesive. Sigur că în această variantă este de multe ori necesară supraeşantionarea ( peste frecvenţa Nyquist).

O îmbunătăţire a DPCM ar fi varianta predictivă unde eşantionul viitor este prezis prin calcul ( pe baze statistice cunoscând din acest punct de vedere semnalul ) şi se transmite diferenţa dintre acesta şi eşantionul curent.

O altă variantă a multiplexării temporale este multiplexarea pachetelor de date. Un exemplu este prezentat schematic în figura7.

Fig.7 Multiplexarea temporală a pachetelor de date

• Multiplexarea în cod (CDM)

Modulaţie cu spectru împrăştiat ( "Spread Spectrum" - SS )

În tehnica spectrului împrăştiat un semnal deja modulat este modulat a doua oară pentru a

produce o formă de undă care să interfere slab cu un semnal cu spectrul compact pe aceeaşi frecvenţă.

Principiul este de a împrăştia puterea semnalului pe o bandă foarte largă în susul purtătoarei, astfel

încât el nu va putea fi recepţionat decât de receptorul special construit în acest sens. Operaţia de

lărgire forţată a benzii ocupate de semnal este denumită "împrăştierea semnalului. în anumite

condiţii, mai multe semnale cu spectru împrăştiat se pot suprapune, transmiţându-se simultan în

aceeaşi bandă frecvenţă, fără să interfere între ele; astfel vor putea fi separate la recepţie.

O astfel de operaţie este o multiplexare în cod (CDM ).

Fig.8 Codarea semnalului b(t) pentru multiplexarea în cod

Fig.9 Imprăştierea spectrului semnalului BPSK prin înmulţirea semnalului util s(t) cu secvenţa g(t)

Recuperarea semnalului din vss(t) la recepţie poate fi realizată ca în figura 10.

Accesul multiplu (pe acelaşi suport) prin diviziune în cod (CDMA) se poate realiza generând un

număr mare de secvenţe g(t) – g1 g2 ... gn cu ajutorul cărora se pot multiplexa.

Fig. 10 Receptor pentru semnale cu spectru împrăştiat

Mai multe surse b(t) - bi b2 ... bn (utilizatori), numărul maxim al acestora fiind limitat doar de

interferenţa dintre ei. Acest mod de multiplexare conduce la un nivel superior de securitate al

transmisiilor (deoarece pentru recuperarea la recepţie a semnalului trebuie cunoscut codul folosit la

emisie) şi la o calitate ridicată a comunicaţiei tocmai datorită împrăştierii spectrale mari a semnalului

modulat prin această metodă.

•Multiplexarea în lungime de undă

WDM - Wawelength Division Multiplex

FDM - Frequency Dhision Multiplex

Principiul constă în a partaja un debit D între N purtătoare optice de diferite lungimi de

undă astfel încât fiecare va transporta D/N.

2.13.2 Sisteme analogice de ordin superior

Sunt sisteme cu multiplexare frecvenţială ce pot grupa până la 2700 căi telefonice (300 -3400 Hz ). Sistemele de ordin superior se obţin în general prin gruparea ( multiplexarea ) unor sisteme de ordin ierarhic imediat inferior. De exemplu, în cazul sistemelor analogice o variantă ar fi cea prezentată în figura 11.

Fig. 11 Multiplexarea frecvenţială. Sisteme analogice de ordin superior

Astfel, 5 grupe primare ( GPB ) formează un grup secundar ( GSB ). Prin multiplexarea 5 GSB se obţine un grup terţiar ( GTB ) sau "Master group", iar 3 GTB formează un grup cuaternar ( GCB ) sau "Supermaster group".

Formarea grupelor poate fi făcută direct sau cu pregrupe, utilizând o modulaţie în etape. Varianta cu "pregrupe" este în general avantajoasă folosind mai multe filtre de acelaşi fel, dintre care unele sunt mai uşor de realizat.

Diagrama frecvenţială pentru sistemele analogice de ordin superior (curenţi purtători) este prezentată în figura 12.

Fig. 12 Plan de frecvenţă în sistemele cu "curenţi purtători"

2.13.3 Sisteme digitale plesiocrone de ordin superior (PDH)

în general, sistemele PCM se grupează în trepte ca în figura 13.

Fig. 13 Ierarhia sistemelor PCM

Un sistem de rang "i", în varianta europeană grupează 4 afluenţi de rang imediat inferior "i-l"(i>2).

Cifrele din paranteză se referă la varianta americană. PCM de rangul 5 există numai în ierarhia

europeană. în variantele Japonia şi SUA sistemul primar ( BNP - blocul numeric de bază) este

realizat cu 24 de canale având un debit de ieşire de 1,544 Mbit/s. Debitele în variantele Japonia şi

SUA sunt prezentate în tabelul următor:

În figura 14 este prezentată ierarhia plesiocronă cu modurile de grupare pentru "compatibilizare", între variantele europeană, americană şi japoneză.

Fig. 14 Sisteme plesiocrone ( PDH ) de ordin superior în variantă Japonia, SUA, Europa

Notaţiile "serviciilor" oferite de sistemele de comunicaţii PDH sunt: DSO= EO(64Kbit/s)T1=DS1( 1,544 Mbit/s)-24 DSODS1C (3,152 Mbit/s)-672 DSOT2=DS2( 6,312 Mbit/s)-96 DSOT3=DS3 (44,736 Mbit/s )-672 DSODS4 ( 274,176 Mbit/s ) - 4023 DSO TI, T2, T3 sunt sistemele utilizate în SUA. în Europa ierarhia este:

EI = 2,048 Mbit/s ( CEPT, BNP - bloc numeric primar ),E2 = 8,448 Mbit/s ( BNS - bloc numeric secundar )

P3 = 34,364 Mbit/s (BNT - bloc numeric terţiar)E4 = 139,264 Mbit/s ( BNQ - bloc numeric quaternar)

Un mod de multiplexare a afluenţilor plesiocroni este posibil prin dopare. Acest procedeu constă în introducerea unor biţi suplimentari în fluxul de date multiplexat ( debitul la ieşirea multiplexorului este mai mare decât suma debitelor de la intrare), care pot purta sau nu informaţie. în funcţie de viteza afluentului.

Dacă aceasta este mai mare decât viteza nominală, doparea este negativă, iar când afluentul este mai lent doparea este pozitivă. Demultiplexorul (receptorul) trebuie avertizat ( semnalizarea dopării ) asupra biţilor fără conţinut informaţional pentru a-i extrage. Extragerea la recepţie a biţilor de dopare dă naştere unui zgomot de fază denumit "jitter". în figura 15 se prezintă principiul dopării ( pozitive ), considerând un afluent mai lent.

Fig. 15 Principiul dopării (pozitive)

Fig. 16 Structura unui cadru (de dopare) pentru un sistem plesiocron de ordinul II

În figura 16 este prezentată structura unui cadru "de dopare" al sistemului plesiocron de ordin 2.

Acest sistem grupează 4 debite provenite de la 4 afluenţi de ordinul 1 fiecare, având un debit de lîşire de 2,048 Mbit/s. Grupul secundar ignoră structura cadrelor primare, neţinând seama de structura de cadre a afluenţilor ( sincronizare, semnalizare, date ) iar multiplexarea se face bit cu bit ( nu octet cu octet ). Un cadru al sistemului de ordin 2 are 824 biţi dintre care: 800 colectaţi de la cei 4 afluenţi de ordin imediat inferior ( debitul de ieşire va creşte în raportul 824/800, D = 824/800-4-2-2,048 Mbit/s = 8,448 Mbit/s ) şi 24 biţi în plus, de serviciu - repartizaţi în 4 subcadre, după cum urmează: 12 biţi la începutul subcadrului A (10 pentru sincro, 1 de alarmă, 1 de rezervă) şi câte 4 biţi la începutul fiecărui subcadru B, C, D pentru semnalizarea dopării ( dopare = introducerea periodică

a unui bit suplimentar în fluxul de date al unuia dintre afluenţi pentru a compensa diferenţele de viteză ale afluenţilor; bitul suplimentar trebuie extras la recepţie pentru a nu afecta conţinutul informaţiei ). Semnalizarea dopării se face prin transmiterea în subcadrele B, C, D ( în fereastra de timp corespunzătoare afluentului ce trebuie dopat) a 3 biţi consecutivi "1". în acest mod, doparea nu poate fi făcută oricând, ci numai în subcadrul D al unui cadru al sistemului. Bitul de dopare poate fi introdus pe una sau mai multe căi, sau este posibil ca într-un cadru de dopare să nu fie introdus pe nici o cale.

Un cadru de dopare are 824*488 ns = 100,4μs, care este diferit de 125 μs, perioada de eşantionare. Pentru operaţia de multiplexare este nevoie să se crească debitul pe linie prin introducerea unor biţi de control, de dopare etc.

Caracteristicile sistemului plesiocron de ordin 2 sunt: - debit binar: B = 8,448 Mbit/s, toleranţa ±3 0-10 ; - semnalizarea dopării CI = C2 = C3 = 000 dacă P este bit de informaţie - cadru de dopare: 848 bit care durează 100,4μs ≠ 125μs; - număr de afluenţi: 4 PCM I cu debitul de 2,048 Mbit/s; - structura cadrului: biţi întreţesuţi; - sincronizare: cuvânt de sincro 10 bit grupaţi la începutul cadrului; - numărul de biţi semnificativi pe cadrul de dopare / afluent: 206 ( sau 205 în cazul

dopării ); indicaţie de dopare: 3 bit/afluent.În principiu, limitările PDH sunt legate de dificultăţile de inserare - extragere( "add - drop" )

a unor fluxuri de date deoarece este necesară demultiplexarea şi multiplexarea completă aşa cum se arată în figura 17. .

Fig.17 Demultiplexare pentru a insera (extrage) un afluent plesiocronde ordin inferior

Astfel în centrul notat cu C este necesară demultiplexarea la nivelul afluentului de 2 Mbit/s cărei) urmează a fi extras din fluxul de date de 140 Mbit/s transmis pe magistrala dintre centrele Aşi B. Această operaţie nu va mai fi necesară în sistemele cu ie ierarhie sincronă.

Cap 6 SISTEME OPTICE COERENTE

în sistemele optice coerente, mesajul digital modulează o purtătoare optică sinusoidală care este transmisă la

distanţă prin fibre optice, iar la recepţie se utilizează detecţia heterodină (sau homodinâ).

Deoarece coerenţa fazei purtătoarei optice joacă un rol important în acest context sistemele sunt denumite

„coerente":

Două motive principale au împins înainte dezvoltarea unor astfel de sisteme (începând cu anii 80):

sensibilitatea receptoarelor poate fi îmbunătăţită cu până la 20 dB în raport cu sistemele necoerente cu modulaţie

în intensitate şi detecţie directă.

Folosirea variantei coerente permite utilizarea eficientă a benzii oferite de fibra optică prin multiplexare

WDM (cu spaţii între canale între 1-10 GHz).

Sistemele coerente oferă un buget important, zgomotul fiind limitat cuantic şi un „acces" uşor la

capacitatea spectrală a fibrei optice.

6.1 Canalul coerent, noţiuni de bază

Idea principală a acestor sisteme este mixarea semnalului optic coerent incident cu un alt semnal optic (produs

local de un oscilator) înaintea fotodetecţiei oscilatorului local (termen împrumutat din comunicaţiile radio),

utilizează o diodă laser de spectru îngust.

Când ωo este diferită de (BL0 semnalul optic recepţionat este demodulat în două faze:

frecvenţa lui purtătoare coo este convertită într-una mult mai joasă con; (tipic 0.1-5 GHz). demodularea

„purtătoarei" COIF şi obţinerea semnalului în banda de bază.

Dacă o>o = ωLO , 0)^ = 0 ceea ce înseamnă că semnalul se obţine direct în banda de bază.

De fapt, trebuie ales între cele două variante de detecţie coerentă - homodină (dacă coo = G>LO) Şi

heterodină (dacă ωo * ωLO).

6.2 Detecţia homodinăDeşi zgomotul cuantic creşte RSZ în detecţia homodină este mult mai mare decât în condiţii similare de detecţie directă.Un alt avantaj este legat de posibilitatea de a modula faza (frecvenţa) purtătoarei optice (Detecţia directă du permite modulaţia de fază sau frecvenţă ci numai intensitatea).Un dezavantaj al detecţiei homodină este sensibilitatea răspunsului la variaţiile de fază. Ideal, §w şi <|>strebuie să aibă o diferenţă constantă (nulă), cu excepţia situaţiei când s-ar utiliza modulaţia de fază. în situaţiilepractice şi (j>Lo şi <t"s variază aleatoriu în timp, dar se poate utiliza o buclă cu calare de fază „PLL" optic (phase .locked loop) care să păstreze aproape constantă diferenţa de fază. Implementarea unei astfel de bucle nu estesimplă şi face ca un receptor homodină să fie greu de proiectat şi mai ales de realizat. în plus este necesară şiîgalitatea strictă a frecvenţelor oos şi COLO, un lucru iarăşi greu de făcut. : 6.3 Detecţia heterodină Informaţia poate fi transmisă prin amplitudine, fază sau frecvenţă . în plus se obţine şi o creştere a RSZn comparaţie cu detecţia directă (în condiţii similare).6.4 Raportul semnal - zgomot (RSZ)Avantajele sistemelor coerente pot fi subliniate dacă se estimează RSZ al receptorului.Folosirea detecţiei coerente permite atingerea limitei cuantice (chiar pentru diode PIN care au zgomotermic dominant). Folosirea unei diode PIN (comparativ cu AphD) permite atingerea acestei limite fără zgomot în exces.Este util să exprimăm RSZ în termeni ca: numărul mediu de fotoni pe bit Np.6.5 Formatul de modulaţieîn capul transmisiilor digitale cu sisteme optice coerente există în principal, trei formate de modulaţie lisponibile: ASK (Amplitude Shift Keying), PSK (Phase Sbift Keying) şi FSK (Frequency Shift Keying).6.5.1 Formatul ASKPentru modulaţie OOK - coerent se utilizează un modulator extern deoarece comanda curenţilor priniispozitivele de emisie ar conduce la variaţii nepermise de fază (la care varianta necoerentă este insensibilă).)ezavantajul modulatorului extern este atenuarea suplimentară ce conduce la penalizări de putere. Se utilizeazăurent modulatoare ASK de tipul: ghid de undă pe bază de LiNbO3 în configuraţie Mach Zehnder, modulator cuhid de undă semiconductor bazat pe electroabsorţie ( structuri MQW „multiquantum-well"). în prima variantă,uterea optica incidenţă este împărţită în mod egal pe două trasee ce se reunesc la ieşirea modulatorului. Prinomandă electrică este posibil ca cele două fluxuri să se însumeze sau să se scadă la ieşire, obţinându-se A o şiLI. Fenomenul de electroabsorbţie se referă la proprietatea unui semiconductor de a absorbi energia unor fotoniacă aceasta depăşeşte banda interzisă a materialului. Lungimea de undă λc la care se produce electroabsorbţiaoate fi comandată prin aplicarea unei tensiuni semiconductorului. Atunci, acesta este transparent pentru λ > λc şi

,, Spectrul crt fotodetectat

pac pentru λ < λc

6.5.2 Formatul PSKIntensitatea purtătoarei rămâne constantă pe durata tuturor simbolurilor binare, semnalul optic apărând ca o „undă continuă" cw („continous wave") ce nu poate fi demodulată decât prin detecţie coerentă. Şi în PSK modulatorul este extern şi funcţionează pe principiul „electrorefracţiei" în structuri MQW cu care se obţin performanţe ridicate: semnal digital până la ~ 10 Gbit cu 2 - 3 V pentru comanda fazei 0, n pentru λ ~ 1.3 - 1.6

Formatul PSK impune ca faza purtătoarei să fie stabilă pentru ca informaţia (conţinută în variaţia fazei) să fie extrasă corect. Această cerinţă impune toleranţe strânse pentru cei doi laseri (emisie şi oscilatorul local) din sistem.De multe ori un format DPSK relaxează aceste condiţii. în DPSK (differential phase shift keying) informaţia transmisă PSK este diferenţa intre doi biţi adiacenţi (01 şi 10 φ = 0 şi 0-^0, 1 1 φ = π ).0Implementarea PSK se face cu un modulator extern capabil să schimbe faza la comandă electrică. Orice cristal electrooptic poate fi folosit pentru o astfel de modulaţie. în particular, se foloseşte cristalul de LiNbO3 Prin

propagare pe lungimea lm se realizează un defazaj , în care, δn este schimbarea indicelui de

refracţie în funcţie de tensiunea aplicată.6.5.3 Formatul FSKÎn FSK, pentru un simbol „1" şi transmite o purtătoare optică cu frecvenţa ω 0 + Δω iar pentru „0",ω0 - Δω. Δω este deviaţia de frecvenţă.Modulaţia BFSK se face cu modulatoare capabile să „shifteze" (de obicei sub 1 GHz) frecvenţa semnalului optic incident. Cea mai simplă metodă de a obţine un format BFSK se bazează pe posibilităţile oferite de o diodă laser. Schimbarea valorii curentului printr-o astfel de diodă conduce la modificări simultane de amplitudine şi frecvenţă pentru radiaţia emisă (De exemplu variaţia curentului cu ~ 1 mA poate duce la variaţii de frecvenţă de ~ 1 GHz).În cazul ASK (OOK) această modificare de frecvenţă („chirp") nu este dorită dar în FSK devine utilă. în general sunt utilizate diode laser DFB (distributed feedback laser) cu răspuns uniform la modulaţia în frecvenţă (100KHz-156GHZ).Când FSK se implementează prin modulaţie directă faza semnalului optic variază de la bit la bit atunci FSK are continuitate de fază CPESK iar dacă J3FM = 1 / 2.CPFSK este denumită MSK (minimum shift keying).6.6 Demodulatoare pentru sisteme coerenteÎn sistemele homodină deşi conceptul este simplu apar dificultăţi de implementare a demodulării sincrone. În heterodină, se obţine un semnal radio (în domeniul microundelor) care preia (în acelaşi mod) informaţia inclusă de purtătoarea optică. Demodularea semnalului radio poate fi realizată sincron sau asincron, în acest fel mesajul este adus în banda de bază.6.6.1 Demodularea sincronă heterodinăUn receptor sincron heterodină are o schemă bloc ce poate fi prezentată simplificat ca în figura 3.

Recuperarea purtătoarei „de microunde" se face în mai multe feluri, majoritatea având la bază o buclă cu calare de fază PLL (Phase Locked loop). Blocurile de bază a unui PLL sunt: comparatorul de fază şi oscilatorul controlat în tensiune, VCO (voltage controllable oscillator).Comparatorul de fază este un dispozitiv cu două intrări şi o ieşire. Dacă semnalele periodice de la cele două intrări au frecvenţe identice, dar sunt defazate la ieşire se obţine o tensiune continuă V0(t) care depinde de diferenţa de fază.Oscilatorul controlat în tensiune ωo oscilează pe o frecvenţă de echilibru ωo în absenţa unei comenzi

exterioare (Vo = 0). Când V0(t) + 0, frecvenţa de oscilaţie se modifică în fiecare moment,

O variantă de circuit pentru extragerea purtătoarei de radiofrecvenţă este bucla Costas (fig. 4), exemplificată pentru un semnal BFSK (unde b(t) = ± 1 este semnalul bipolar de date). Circuitul are 2 bucle PLL care utilizează un VCO comun

6.6.2 Demodularea asincronă în receptorul heterodinăÎn figura 6 este reprezentat un receptor asincron. Acesta, nu implică recuperarea purtătoarei de frecvenţă intermediară şi permite o proiectare mult mai simplă.

Fig.6 Receptor sincron heterodinăÎn această variantă If(t) este convertit în banda de bază folosind un detector de anvelopă urmat de un filtru trece jos.Diferenţa fundamentală între cele două variante (sincronă şi asincronă) este faptul că în varianta asincronă semnalul este degradat de zgomotul în fază şi în cuadratură (în varianta sincronă numai zgomotul în fază este important). Degradarea suplimentară poate fi considerată redusă (în cazurile practice) ~ 0.45 dB şi ţinând seama de cerinţele mai modeste impuse celor două diode laser din sistem se poate aprecia că varianta asincronă joacă un rol important în sistemele optice coerente. Un exemplu de astfel de receptor este prezentat în Fig.7. pentru un format ASK.

Receptorul sincron prezentat în figura precedentă trebuie modificat dacă se utilizează formate ca PSK sau FSK. În figurile 8 şi 9 se prezintă două scheme de receptor heterodină: FSK (cu 2 filtre de bandă) şi DPSK (cu demodulare prin întârziere).

În prima variantă, (fig.8) frecvenţa intermediară 0%, are două valori diferite, rom pentru bitul „1" şirespectiv pentru bitul „O" ce sunt prelucrate pe căi diferite

Fig. 9 Receptor DPSK cu demodulare prin întârziere.Această schemă este preferată dacă se utilizează WBFSK, pentru ca spectrele pentru semnalele de frecvenţă intermediară ce reprezintă „1" şi respectiv „O" să nu se suprapună, şi să poată fi separate de FTBi şi FTB0.Receptorul poate fi gândit ca fiind realizat din două receptoare ASK (cu câte un singur filtru) legate în paralel la intrare şi ale căror ieşiri sunt combinate într-un comparator care furnizează semnalul circuitului de decizie. Filtrul FTB ωIF din fig. 9, are banda mai mare decât FTBi şi FTB0 (fig. 8) pentru a permite întregului flux de date să ajungă la detectorul de anvelopă. Varianta din fig. 9 este preferată pentru NBFSK.Demodularea asincronă nu poate fi realizată pentru format PSK dacă diferenţa între faza emiţătorului optic şi a oscilatorului local variază în timp. În schimb, pentru DPSK se poate folosi varianta asincronă aşa cum se arată în figura 9 cu întârziere a fluxului de biţi. Această tehnică poate fi utilizată şi pentru CPFSK. O astfel de schemă impune o stabilitate de fază pe durată scurtă (câteva perioade de bit) şi poate fi implementată cu laseri de spectru îngust.6.7 Probabilitatea de eroare (BER) şi sensibilitatea receptoruluiSensibilitatea receptorului (şi implicit BER) depinde de formatul de modulaţie utilizat.6.7.1 Receptoare sincrone ASKDetecţie heterodină.Faza Φ variază aleatoriu datorită fluctuaţiilor asociate diodei laser de la emisie şi diodei laser dinoscilatorul local. Aceste fluctuaţii pot fi neglijate dacă lărgimea spectrală a radiaţiei emise de cele două diode . este mult mai mică decât debitul D6.7.2 Receptorul sincron PSKîn cazul detecţie heterodină semnalul la intrarea circuitului de decizie are aceeaşi expresie ca în cazul ASK cu deosebirea că aici Ip este constant şi Φ este acela care are valori diferite pentru bitul „0" şi respectiv „1".6.7.3 Receptorul sincron FSKÎn general acest receptor foloseşte schema cu două filtre de bandă prin care trec semnalele corespunzătoare biţilor „1" şi „0" respectiv. Această schemă este echivalentă cu două receptoare ASK (heterodină) funcţionând în paralel. Această observaţie permite estimarea sensibilităţii receptorului.

RSZ este îmbunătăţit cu un factor 2 faţă de ASK. Această îmbunătăţire se datorează faptului că într-un receptor ASK, în medie, în jumătate din timp (pe durata biţilor „0") nu se primeşte putere optică, spre deosebire de receptorul FSK, în care puterea medie optică recepţionată rămâne constantă (egală cu puterea medie pe care o primeşte ASK pe durata biţilor „1"). Atunci puterea semnalului este dublă în condiţiile în care puterea de zgomot rămâne aceeaşi dacă presupunem aceeaşi lărgime de bandă a celor 2 receptoare comparate .6.7.4 Receptoare asincrone ASKEstimarea BER pentru asincrone este mai complicată deoarece zgomotul nu mai poate fi considerat Gaussian atunci când se foloseşte detecţia de anvelopă.De exemplu pentru BER = 10-9 degradarea este în jurul a 0.5 dB. Prin urmare performanţele oferite de un receptor asincron sunt compatibile cu cele ale unui receptor sincron pentru format ASK.6.7.5 Receptor asincron FSKŞi în această variantă se utilizează un receptor cu detecţie asincronă cu două căi (filtre) ce prelucrează separat semnalele pentru „1" şi „0" logic. Semnalele ce rezultă pe cele două căi după detecţia de anvelopă sunt scăzute, iar rezultatul este folosit pentru decizie.)6.7.6 Receptorul asincron DPSKAşa cum a fost deja menţionat demodularea asincronă nu poate fi folosită pentru formatul PSK. Totuşi este posibil a demodula asincron semnale optice DPSK. Curentul recepţionat este divizat în două părţi, şi una dintre ele este întârziată cu o perioadă (de bit). Produsul dintre aceşti doi curenţi conţine informaţii asupra diferenţei de fază dintre doi biţi adiacenţi (vecini). Din această informaţie circuitul de decizie poate determina şirul de biţi recepţionaţi. Calculul BER este ceva mai complicat deoarece semnalul (curentul) purtător de informaţie este un produs de doi curenţi.6.8 Mecanisme de degradare a sensibilităţiiAnaliza precedentă a fost făcută în ipoteza unor condiţii ideale de lucru ale sistemului coerent. Sensibilităţile obţinute reprezintă de fapt „limita cuantică" extrem de greu de atins în practică. Multe mecanismedegradează sensibilitatea receptorului în sistemele practice, printre care: zgomotul de fază, zgomotul de intensitate, abaterile polarizării, dispersia FO.6.8.1 Zgomotul de fază.Zgomotul de fază este o sursă importantă de penalizare în sistemele coerente şi este asociat cu fluctuaţiile de fază ale laserului din emiţător, necorelate cu cele ale laserului din oscilatorul local. Motivul poate fi înţeles pornind de la ecuaţiile (5) şi (11) pentru homodină şi respectiv heterodină. în ambele cazuri, fluctuaţiile de fază antrenează fluctuaţii ale curentului fotodetectat şi degradează astfel RSZ.Ambele faze, ΦS şi ΦL0 trebuie să fie stabile pentru a evita degradarea sensibilităţii receptorului. O măsură a stabilităţii de fază pentru un laser este timpul de coerenţă, care este invers proporţional cu lărgimea spectrală Av a radiaţiei emise.Efectul fluctuaţiile de fază este, în principal lărgirea benzii semnalului; astfel, semnalul poate fi obţinut numai după ce banda filtrelor trece bandă a fost crescută. în principiu orice lărgime spectrală poate fi tolerată dacă se corectează în consecinţă banda FTB; astfel zgomotul asociat creşte odată cu banda şi astfel RSZ scade, rezultând o PP.Calculul BER este şi aici destul de complicat şi sunt în general preferate metodele numerice.DPSK, demodulat asincron (întârziere + înmulţire), cere o lărgime spectrală mai redusă în comparaţie cu ASK şi FSK. Realizarea sistemelor optice coerente impune utilizarea laserilor monomod cu lărgime spectrală redusă a căror λ poate fi modificată (cel puţin câţiva nm) pentru a face posibilă egalitatea exactă ω o = ω LO (pentru homodină) sau diferenţa, exact ωIF (dată) ω S= ω 0 - ω LO (pentru heterodină).O abordare alternativă pentru rezolvarea problemei referitoare la zgomotul de fază, este construirea unor receptoare speciale cunoscute sub denumirea de „receptoare cu diversitate de fază" (Phase-Diversity Receivers). Astfel de receptoare (PDR) utilizează două sau mai multe fotodetectoare a căror ieşiri sunt combinate pentru a produce un semnal independent de diferenţa de fază ΦIF = Φs - ΦL0; PDR sunt utilizate cu relativ succes pentru formate ASK, PSK, DPSK.în figura 12 este prezentat schematic un „receptor cu diversitate de fază":

Fig. 12 Receptor cu diversitate de fază.O componentă „hibrid optic" combină la intrare semnalul şi oscilatorul local şi furnizează la mai multe porţi (la

ieşire) semnale între care există anumite defazaje. Aceste semnale optice sunt aplicate unor fotodetectoare ce furnizează curenţi unui procesor de semnal, al cărui rol este de a realiza un curent independent de ΦIF.De exemplu, în cazul unui receptor homodină cu două detectoare ieşirile din hibridul optic sunt defazate cu 7i/2, astfel că cei doi curenţi variază ca IP cos ΦIF şi IPsin ΦIF. Procesorul le ridică la pătrat şi le adunăaplicând rezultatul (independent de ΦIF) circuitului de decizie. în fig.13 se sugerează câteva moduri posibile de implementare a receptoarelor cu diversitate de fază pentru ASK, DPSK, şi FSK. I şi Q sunt componentele în fază şi în cuadratură ale semnalului optic incident. Pentru situaţia în care s-ar folosi 3 ieşiri ale hibridului optic (fig. 14), defazajele ar trebui să fie 0°, 120°, 240° pentru ca suma pătratelor lor să devină iarăşi independentă de ΦIF. In fig. 15 este prezentată schema unui receptor cu diversitate de fază care foloseşte cuploare de 90°

Fig.13 Procesare I,Q pentru format ASK, DPSK,FSKProiectarea devine mai complexă cu cât se utilizează mai multe semnale defazate şi în plus, cu cât sunt mai multe ramuri cu atât puterea oscilatorului local trebuie să crească. Pentru aceste motive se utilizează de obicei numai două sau trei porţi de3 ieşire şi ramurile necesare.

Din experimentele făcute s-a constatat că o creştere a lărgimi spectrale către valoarea debitului n-ar produce o penalizare de putere semnificativă chiar pentru receptorul homodină dacă se utilizează receptoarele cu diversitate de fază.6.8.2 Zgomotul de intensitate în receptoare coerente

pp m 4

Fig. 16. Penalizare în funcţie de RIN Fig. 17.Receptor echilibratO soluţie pentru a reduce influenţa zgomotului de intensitate asupra sensibilităţii unui receptor coerent este

oferită de „receptorul echilibrat" desenat schematic în figura 16.Acest receptor, utilizează ca hibrid optic un cuplor ce mixează semnalul optic cu oscilatorul local şi splitează (împarte) semnalul rezultat în două părţi egale, defazate corespunzător.Aceasta se întâmplă dacă cuplorul este perfect şi are un raport de 50%. Zgomotul de intensitate asociat termenului constant se elimină prin scădere, deoarece oscilatorul local transmite aceleaşi fluctuaţii ambelor ramuri de prelucrare. Fluctuaţiile asociate cu componenta variabilă nu sunt eliminate prin acest procedeu, dar oricum impactul asupra RSZ este mai puţin sever, deoarece în termenul variabil apare şi nu PLo ca întermenul continuu.Receptoarele echilibrate sunt curent utilizate datorită celor două avantaje principale oferite: zgomotul de intensitate este aproape „eliminat"; puterea semnalului şi cea a oscilatorului local sunt utilizate efectiv8

OL

ai) receptor reechilibrat b) receptor echilibrat

Fig. 18 Principiul receptoarelor coerente în variantă neechilibrată şi echilibrată 6.8.3 Neadaptarea polarizăriiStarea de polarizare a semnalului optic este neimportantă pentru receptoarele cu detecţie directă, fotocurentul generat depinde de fotonii incidenţi.în cazul receptoarelor coerente, polarizarea semnalului optic şi cea a oscilatorului local trebuie să fie aceiaşi.

Deoarece termenul de interferenţă este folosit pentru decizie, orice schimbare a lui 9 în jurul valori ideale (θ = 0) reduce semnalul (fading) şi afectează performanţele receptorului. în particular, pentru θ = π/2 semnalul dispare complet.Din acest motiv apar variaţii aleatoare în BER. Deşi variaţiile de polarizare nu apar în fibre construite special pentru a păstra starea de polarizare (ST „side tunels", fig. 19), acestea nu sunt folosite datorită preţului mult mai mare şi atenuării suplimentare introduse. în plus fibrele deja instalate sunt de tip convenţional.

cuplor

Fig. 19Fibre cu menţinerea polarizării şi utilizarea reacţiei negative .Pentru rezolvarea „neadaptării de polarizare" au fost propuse mai multe soluţii:utilizarea unei reacţii negative care să modifice polarizarea semnalului optic în receptor (fig. 19); folosirea tehnicilor de „scrambling" pe durata unui bit.Realizarea unui receptor cu diversitate de polarizare a cărui răspuns este independent de polarizarea semnalului. O schemă posibilă de receptor DPSK cu diversitate de polarizare este prezentată în figura 20.Splitterul PBS (Polarisation Beam Splitter) este folosit pentru a obţine două semnale optice polarizate perpendicular ce sunt procesate în paralel. 1. Semnalele de pe fiecare ramură sunt ridicate la pătrat şi adunate pentru ca rezultatul să nu depindă de polarizare.

Fig.20 Receptor cu diversitate de polarizareO variantă de receptor cu diversitate de polarizare este prezentată în figura 21.

Penalizarea de putere PP depinde în general de formatul de modulaţie şi tehnica de demodulaţie folosită. Pentru varianta sincronă în receptoare practice PP poate ajunge la 3 dB pe când în cele asincrone optimizate scade la 0.4 - 0.6 dB.Combinaţia „diversitate de fază" - „diversitate de polarizare" conduce la receptoare cu performanţe limitate de

zgomotul de intensitate. Un astfel de receptor este prezentat în figura 22:polarizări înN cuadraturăReceptorul practic este realizat cu laseri de bandă îngustă pentru a evita limitările impuse de zgomotul de intensitate şi fluctuaţiile de polarizare.6.8.4 Dispersia fibrei opticeÎn capitolele precedente s-a analizat efectul dispersiei asupra performanţelor sistemelor optice cumodulaţie de intensitate şi detecţie directă (IM/DD)." Dispersia FO afectează şi performanţele sistemelor coerentedeşi impactul este ceva mai redus.Motivul este că în sistemele coerente, laserii utilizaţi sunt de bandă îngustă (monomod) iar modulaţia este în general externă (pentru a evita variaţia de frecvenţă - „chirp" prezentată în cazul modulaţiei directe)/în plus, este posibil (în cazul heterodină) să se compenseze efectele dispersiei prin mijloace electronice (egalizare) în domeniul frecvenţei intermediare. Penalizarea de putere datorată dispersiei în sistemele coerente a fost calculată cu tehnici numerice prin simularea degradării, utilizând diagrama ochi în condiţiile propagării unei secvenţe binare pseudoaleatoare pe o fibră monomod în condiţii de demodulare sincronă sau asincronă.Dispersia rămâne un factor de limitare pentru sisteme optice cu debite scăzute proiectate pentru distanţe lungi (~ 10.00 km). Aşa cum a mai fost amintit se pot folosi egalizoare pe frecvenţa intermediară care să aibă caracteristică de transfer inversă celei asociate fibrei. Există, în prezent şi posibilitatea unei egalizări optice.Un alt mod în care dispersia afectează performanţele sistemului apare datorită divergenţei FO ce determină viteze diferite de propagare pentru componentele polarizate perpendicular ale semnalului optic. Acest mecanism începe să fie simţit la debite peste lOGbit/s şi L > 100 km.6.8.5 Alţi factori de limitareExistă şi multe alte mecanisme de degradare a sensibilităţii receptoarelor coerente cum ar fi: reflexiile apărute la cuplajele optice (sursă - fibră, fibră - receptor), reflexiile multiple între două suprafeţe reflective (în receptor, de-a lungul cablului optic, etc), efecte neliniare şi altele.6.9 Performanţe de sistemÎn anii 80 au început experimente care să demonstreze superioritatea sistemelor coerente care permit realizarea unor receptoare mult mai sensibile (decât IM/DD) şi pot lucra aproape de limita cuantică a zgomotului. Compararea între performanţele sistemelor se face prin cuantificarea sensibilităţii receptoruluiexprimată în număr mediu de fotoni/bit, Np necesar pentru a realiza BER = 10-9.

6.9.1 Sisteme asincrone heterodinăAceste sisteme sunt atractive deoarece au cerinţe relaxate în ceea ce priveşte lărgimea spectrală a laserilor. ele au fost implementate cu lasere DFB în format ASK, FSK şi DPSK.De exemplu, în 1990 a fost experimentat un sistem ASK cu receptorul având sensibilitatea de 175 de fotoni/bit la 4 Gbit/s ceea ce înseamnă o distanţă de numai 6.4 dB de limita cuantică de 40 fotoni/bit. Sensibilitatea s-a degradat relativ puţin (~1 dB) dacă s-a utilizat o fibră de 160 km cu dispersie de 17 ps/km*nm la 1.53 um.În varianta FSK sensibilitatea receptorului a scăzut la 190 fotoni/bit, dar sensibilitatea a scăzut cu 0.7 dB dacă se utilizează fibra de 160 km (2 Δf ≈D).Acelaşi experiment repetat cu DPSK a condus la 209 fotoni/bit şi 1.8 dB pentru fibra de 160 km. Aceste experimente au arătat potenţialul sistemelor coerente pentru legături LH (long - haul).Pentru comparaţie, utilizarea unui sistem IM/DD pe 1.55 um implică o sensibilitate a receptorului de circa 1000 fotoni/bit chiar dacă se utilizează AphD.Deoarece sistemele coerente au limite de lungime între regenerări mai ales datorită atenuării, se utilizează amplificarea optică pentru a compensa periodic pierderile introduse.6.9.2 Sisteme sincrone heterodinăAcestea sunt în general mai senzitive dar demodulatorul este mai greu de implementat, fiind necesară extragerea purtătoarei (domeniul microundelor). Deoarece formatele ASK şi FSK nu conduc la avantaje suplimentare în varianta sincronă, atenţia a fost focalizată pe formatul PSK pentru care sensibilitatea (teoretică) este de 18 fotoni/bit. O problemă în PSK este aceea că purtătoarea este suprimată când defazajul intre biţii „1" şi „0" este exact 180°. Astfel energia semnalului este concentrată în benzile laterale şi nu este posibilă extragerea purtătoarei. O soluţie este reducerea defazajului (sub 180°, tipic 150° - 160°) pentru ca o parte din energiasemnalului să rămână în purtătoare cu preţul micşorării sensibilităţii. Zgomotul de fază este o problemă serioasă în realizarea PSK.6.9.3 Sisteme homodinăAtenţia a fost acordată realizării receptorului PSK deoarece limita teoretică a sensibilităţii este ridicată (9 fotoni/bit) cu preţul utilizării unei bucle optice cu calare de fază pentru realizarea oscilatorului local.Cerinţele impuse oscilatorului local sunt destul de severe S-au făcut diverse experimente utilizând laseri cu He-Ne, laseri cu cavitate externă şi laseri YAG cu Nd. Sensibilitatea obţinută depinde de viteza datelor D; la valori relativ reduse ale debitului, D = 140 Mbit/s s-au obţinut sensibilităţi în jurul valori de 26 fotoni/bit la 1.52 um sau 25 fotoni/bit la 1.32 um, utilizând laseri He-Ne sau YAG respectiv (cu aproximativ 4.5 dB mai mult faţă de limita cuantică de 9 fotoni/bit). Sensibilitatea scade când creşte debitul, de exemplu a fost demonstrat experimental că pentru un debit de 1 Gbit/s sensibilitatea s-a redus la 46 fotoni/bit (laser semiconductor cu cavitate externă, ^ = 1.55 um, fibră optică standard monomod de 209 km).Într-un alt experiment, rata a crescut la 4 Gbit/s iar sensibilitatea a scăzut la 72 fotoni/bit pentru o FO monomod standard cu lungimea de 167 km. încă un experiment cu D = 10 Gbit/s la λ = 1.55 um cu un laser DBF având cavitate externă , modulator PSK extern pe LiNbO3 a condus la o sensibilitate de 298 fotoni/bit. Semnalul optic a fost transmis pe distanţa de 151 km pe fibră optică cu dispersie deplasată.Zgomotul modalZgomotul modal este asociat cu fibra optică multimod şi apare ca urmare a interfeţei intermodale. Astfel, pe suprafaţa detectorului apare o geometrie de puncte prin care se transferă energia primită de la fibră. Dacă această geometrie ar fi stabilă, receptorul nu ar simţi această partiţie. în realitate, partiţia este instabilă şi creează fluctuaţii în puterea recepţionată de fotodetector, degradând RSZ printr-un zgomot suplimentar denumit zgomot „modal".Acest zgomot apare invariabil în fibrele optice multimod, în principal din cauza unor efecte mecanice: vibraţii, microîndoiri, etc. în plus, sudurile şi conectorii funcţionează ca nişte filtre spaţiale . Orice schimbare temporală în filtrul spaţial conduce la zgomot modal.Observaţii:Zgomotul modal este puternic afectat de lărgirea spectrală a sursei opticeZgomotul modal devine o problemă serioasă când se utilizează diode laser în combinaţie cu fibremultimod.

Cap 7 SISTEME OPTICE MULTICANAL7.1 IntroducereDatorită creşterii explozive a utilizatorilor de Internet au apărut cereri semnificative de creştere a „benzii" (debitului) la dispoziţia utilizatorului care au impus o proiectare în consecinţă a reţelelor pentru a evita congestiile locale şi globale.Curent, cele mai uzuale interconectări între severele de Internet sunt realizate prin sisteme T1 (1.554 Mbit/s), T3

(45 Mbit/s) sau OC-3 (155 Mbit/s). Deja infrastructura reţelei actuale este inadecvată pentru a suporta traficul prezent cu mari tendinţe de creştere în viitor. Este de aşteptat ca reţeaua „backbone" a Internetului viitor să fie bazată pe OC-12 (sau mai mult) şi să utilizeze (într-o anumită proporţie) comutaţia optică. ATM şi SONET au fost deja „desemnate" pentru a realiza mecanismul primar al transmisiilor de bandă largă. In mod curent, în prezent, se folosesc sisteme OC-48 (2.5 Gbit/s) pe FO monomod între hub-uri majore de comutaţie. Dacă necesităţile sunt peste OC-48 se utilizează tehnici de multiplexare (OFDM - Optical FrequencyDivision Multiplex) pentru a mări capacitatea legăturii.Curent, există două propuneri pentru a implementa 10 Gbit/s:• TDM - în care 4OC-48 se grupează într-un OC-192;• WDM - în care 4-OC-48 se transmit simultan pe aceeaşi fibră monomod, dar pe diferite lungimi de undă. Această ultimă variantă este mai avantajoasă deoarece nu implică o electronică de mare viteză ca TDM.OFDM corespunde schemei în care mai multe purtătoare optice pentru tot atâtea fluxuri de date (obţinute eventual prin FDM sau TDM) se transmit simultan pe o fibră optică. Semnalul recepţionat este apoi demodulat optic sau electronic. OFDM poate pune astfel în valoare banda largă a FO prin transmiterea multiplă a sute (chiar mii) de canale separate prin ecarturi de câţiva GHz utilizând sisteme coerente. OFDM este adesea denumită WDM (Wavelenght Division Multiplex) atunci când spaţiul dintre două canale adiacente este relativ mare (> l nm sau > lOOGHz).Din punct de vedere practic, tehnicile coerente trebuie folosite atunci când debitul creşte, devenind comparabil cu spaţiul dintre canale. în figura 1 se prezintă „operaţia multicanal" în fereastra 1.55 um.

Pe măsură ce tehnologia FO şi a laserilor a evoluat a fost posibilă DWDM (Dense Wavelenght Division Multiplex) prin care se obţin debite ridicate cum ar fi de exemplu, 16OC-48 sau 40-OC-48 (Ciena Corporation, 1996) şi 8OC-48 (32-OC-48) sau 32- OC-192 (Wave Mux 3200, Pirelli) care lucrează în domeniul 1.530 -1.565 um.Aceste DWDM sunt deja accesibile în 2 variante: bidirecţionale şi unidirecţionale (fig. 2).

7.2 Arhitectura reţelelor WDMLegături optice de mare capacitate punct cu punct. O astfel de legătură este prezentată (pentru un sens) schematic în figura 3.

Când n canale cu debite Di, D 2 ... Dn sunt multiplexate, produsul DL~(Di+D2+...+Dn)L. O

asemenea realizare a fost demonstrată încă din 1985 obţinându-se un produs DL ~ 1.37 (Tbit/s)-km (A,=1.55) prinmultiplexarea a 10 canale de 2 Gbit/s pe 68.3 km, cu spaţiu de 1.35 nm. „Diafonia" (Interchanel Crosstalk) întrecanale a fost neglijabilă, în experimentul de mai sus.Spaţiul dintre canale poate fi redus simţitor dacă se folosesc sisteme coerente (până la de 5 - 6 ori maimare decât debitul) în sistemele IM/DD acest spaţiu trebuie să fie în jurul unei valori de aproximativ 1 nm.

Pentru situaţia când unul sau mai multe canale trebuie extrase de-a lungul legăturii optice se poate insera pe fibra optică un WDM - ADM (Add Drop Multiplexer) optic (WDM-OADM) pasiv ca în figura 4. Performanţele unui astfel de bloc sunt critice(cu cât N este mai mare) pentru ca extracţia să aibă loc fără a degrada semnalul.

O altă arhitectură posibilă pentru reţele WDM este inelul dublu .Cea mai simplă variantă este un inel dublu cu

128fibre unidirecţionale . Inelul exterior transportă datele în sensul acelor de ceasornic pe când cel interior în sens invers. In cazul întreruperii cablului optic traficul poate fi restabilit prin configurare în noduri. Această arhitectură este potrivită pentru aplicaţii de acces unde traficul către şi de la un nod este important .Prin WDM pe inel traficul poate fi crescut la nivelul suportat de fibră. Structura prezentată în figura 4 poate fi inserată şi pe un inel (chiar în varianta cu extragere inserare optică) formându-se un inel WDM-ADM O astfel de variantă este prezentată în figura 5 pentru 4 lungimi de undă utilizate pe inel.

În figura 5 este prezentat inelul fizic ce are capacitatea de a se restaura configurându-se ca o stea logică. Reţeaua inel restaurabilă prezentată, permite aplicaţii client server de bandă largă7.2.1 Reţele BSNReţelele BSN (Broadcast and Select Networks) sunt reprezentate în figura 6 (pentru un sens).

Aceste reţele constau din noduri interconectate optic printr-un cuplor stea. Cuplorul combină semnalele primite într-un „multiplex optic" pe care-l împarte (distribuie) în mod egal receptoarelor acordabile. Numărul de canale depinde de pierderile de distribuţie şi inserţie.

8.2.2 Reţele cu acces multiplu(de exemplu: Lambdanet, Rainbow) Principiul este prezentat în figura 5.În această arhitectură, fiecare nod este legat bidirecţional şi poate transmite către oricare alt nod şi poate recepţiona mesaje de la oricare dintre noduri.Dacă se utilizează o singură purtătoare optică pot fi legate împreună mai multe calculatoare (LAN) prin multiplexare TDM (comutarea pachetelor).O altă variantă este WRN (Wavelenght Routed Networks) care este prezentată în figura 6. Reţeaua WRN constă în rutere optice statice (sau reconfigurabile) interconectate prin linkuri optice. Cele statice sunt fixe, în schimb cele reconfigurabile permit schimbări dinamice de topologie.

O legătură optică constă dintr-o „cale" între cele două noduri, căreia îi este „repartizată" o lungime de undă. Unul sau mai multe controlere sunt ataşate nodurilor. Acestea comunică pe o lungime de undă λo destinată special acestui scop.Fig. 6.Reţele cu rutare optică WRN

, controller7.3 Multiplexarea şi demultiplexarea opticăImplementarea WDM implică componente specifice: multiplexoare, demultiplexoare, cuploare stea,filtre optice acordabile, laseri acordabili, receptoare acordabile etc.Multiplexoare si demultiplexoareDispozitivele WDM pot fi clasificate în două largi categorii:• active (element cu dispersie unghiulară, filtre sau cuploare direcţionale selective);•pasive;În general, cele pasive sunt de preferat datorită simplităţii şi stabilităţii. În toate cazurile, acelaşi dispozitiv de multiplexare este folosit şi pentru demultiplexare, aceasta depinzând numai de direcţia de propagare (reciprocitate). În figura 7 se prezintă două variante de MUX, DEMUX cu reţea de difracţie şi lentilă convenţională respectiv lentilă gradată.

O problemă a acestor multiplexoare este banda de trecere şi transferul în această bandă depinzând de dimensiunile fibrelor care ar trebui să aibă miezul de diametru mare pentru ca răspunsul să fie plat şi pierderile de inserţie reduse (fibre multimod).

Pentru fibrele monomod sunt necesare tehnici deosebite: ghiduri de undă pe bază de LiNbO 3, demultiplexoare bazate pe filtre optice (Mach Zehnder - MZ sau Fabry-Perot - FP). în figura 8 este prezentat schematic un MUX ce conţine trei interferometre MZ (MZ],MZ2, MZ3).

Un braţ al fiecărui

interferometru MZ este mai lung decât celălalt pentru a realiza un defazaj (dependent de λ)între cele două braţe. ,, ■,.Diferenţa de lungime este astfel aleasă, încât puterea totală de intrare aplicată egal celor două braţe apare la ieşire numai pe un braţ. Întreaga structură este fabricată pe siliciu având ghidurile realizate pe SiO 2 (utilizează tehnologia siliciului).Este posibil a construi MUX cu cuploare direcţionale urmând o schemă de bază similară celei cu interferometru MZ.O variantă atractivă pentru WDM a fost realizarea MUX / DMUX având la bază cuplarea fibrelor optice, dar aceasta implică spaţiere semnificativă incompatibilă cu DWDM. Soluţia cea mai bună pare a consta în realizarea emiţătoarelor şi receptoarelor integrate multicanal care să includă funcţii de MUX, DMUX bazate pe tehnologia InP, OIEC (Optoelectronic Integrated Circuits). Performanţele MUX sunt judecate în funcţie de pierderile de inserţie / canal multiplexat. Pentru DMUX criteriile sunt mai strânse, deoarece separarea canalelor trebuie să fie totală. în practică (mai ales în DWMD) apar prezenţe reziduale intercanal care pot fi considerate rezonabile dacă sunt cu sub 20 dB faţă de canalul curent.

7.3.1 Cuploare stea pasive(PSC - Passive Star Coupler)în contrast cu DEMUX cuploarele stea nu sunt selective. Nu este necesar ca numărul de intrări să fie egal cu numărul de ieşiri. În reţelele LAN de obicei, acest număr este acelaşi (N.N) spre deosebire de reţelele CATV unde este posibil ca numărul de ieşiri să fie substanţial mai mare decât cel al intrărilor.Elementul de bază al PSC este cuplorul direcţional capabil să adune cele două semnale de la intrare şi să le împartă în mod egal la ieşire (figura 9).

Un cuplor NN poate fi realizat prin combinarea acestor elemente de bază. în figura 10 se prezintă un cuplor 8-8 realizat astfel. Un dezavantaj major este tendinţa de a deveni complicate (cu multe cuploare) dacă N creşte.O altă variantă sunt cuploarele biconice (FBTC - „Fused Biconical Taper Couplers"). în figura 11 se prezintă schematic două astfel de realizări ce funcţionează prin transmisie şi prin reflexie (N-N ~ 100-100).Idea este de a topi împreună un număr mare de fibre optice şi a alungi zona topită pentru a forma o structură biconică. în această zonă semnalele se adună şi se redistribuie în mod egal între ieşiri. Un astfel de cuplaj funcţionează relativ corect pentru mai multe fibre optice multimod; în cazul fibrelor optice monomod numărul fibrelor cuplate trebuie drastic redus.

7.3.2 Filtre optice acordabileCând se foloseşte un cuplor stea într-o reţea optică de difuzare, fiecare receptor trebuie să poată selecta lungimea de undă dorită (canalul). Această operaţie poate fi făcută electric sau optic. Selectarea electrică se poate face în sistemele cu detecţie coerentă şi implică utilizarea unui oscilator local acordabil. Selecţia opticăpoate fi făcută şi în sisteme coerente şi în cele cu detecţie directă. Ea se realizează cu un filtru optic de bandă FOTB plasat în faţa receptorului. Acest FOTB trebuie să aibă banda suficient de mare pentru a reda detaliile transmise dar şi suficient de mică pentru a nu „amesteca" canalele.Un FOTB poate fi implementat ca:-un interferometru Fabry - Perot acordabil cu comandă electrică a lungimii cavităţii folosind efectul piezoelectric (figura 12).

În acest filtru, caracteristica de transmisie este dependentă de modurile longitudinale determinate de lungimea optică (nL) a cavităţii.

O realizare alternativă pentru FOTB este cuplajul acustooptic selectiv.Alte filtre pot avea la bază efecte electrooptice. Se obţin astfel lărgimi de bandă mai mari (~1 nm) şi un domeniu mai larg de acordabilitate: ~ 100 nm pentru FOTB cu cuplaj acustooptic şi ~ 10 nm pentru cele electrooptice. Ambele au avantajul unei realizări integrate pe, ■ * : ■

Există scheme de FOTB care au împrumutat (pentru acord) principiul folosit la laserii DFB pentru a obţine o oscilaţie monomod. (selectivitatea în A, se obţine prin integrarea în structura laserului a unei reţele de difracţie acordabil prin electrorefracţie). Aceste filtre au avantajul de a putea fi integrate în receptor. Au de asemenea avantajul unui timp redus de acord (câteva ns).7.4 Emiţătorul acordabilEmiţătorul acordabil este utilizat pentru a selecta lungimea de undă corectă pentru transmiterea datelor, în mod obişnuit, acordul poate fi realizat prin următoarele tehnici:a) Lasere cu cavitate externă acordabilă. O variantă tipică este prezentată în figura 14.

El are la bază o diodă laser FP cu cavitate externă acordabilă care poate fi o reţea de difracţie sau un filtru optic a cărui transmitanţă (sau caracteristică de reflexie) poate fi controlată (mecanic, electric) din exterior.Această structură are un domeniu larg de acordabilitate, dar timpul în care se face acordul este destul de lung dacă modificarea cavităţii se face mecanic şi ceva mai scurt electrooptic (dar cu bandă mai mică).b) Două secţiuni de reflector Bragg distribuit într-o diodă laser (figura 15).Ia şi Ib sunt doi curenţi de injecţie separaţi: unul pentru zona activă, altul pentru controlul indicelui de refracţie. Acest dispozitiv permite acordul continuu al lungimii de undă într-o gamă redusă (de exemplu: 5.8 nm variaţie în jurul 1.55 um).c) Laser DBR cu trei secţiuni. A treia secţiune poate realiza o defazare suplimentară a undei incidente peoglinda Bragg şi astfel domeniul de acordabilitate poate fi crescut semnificativ.d) O reţea de diode laser uni sau bidimensionale cu VCSEL în care fiecare diodă este acordată separatprin ajustarea cavităţii. Cuplajul cu fibra se face prin cuploare holografice9 generate de calculator (~ 100) sauprin reţele de difracţie (~ unităţi). Modulatoarele folosite sunt externe (Mach Zehnder, QW - modulator).7.5 Ruterii optici pentru WDMAceste dispozitive se folosesc în reţele optice pentru a dirija diferite lungimi de undă către destinaţiilecorespunzătoare. în comparaţie cu reţelele ce utilizează cuplori stea, ruterii (dependenţi de λ) pot evita pierderilede inserţie. În plus, aceeaşi lungime de undă poate fi folosită simultan pe legături diferite ale aceleiaşi reţelereducându-se astfel numărul de lungimi de undă necesare.Mecanismul de rutare poate fi static în care reţeaua are o configuraţie fixă sau dinamic în care există posibilitatea de reconfigurare. Caracteristica comună a acestor dispozitive multipost (ruteri) este aceea că diferite

lungimi de undă prezente la o anumită poartă de intrare sunt despărţite spaţial şi permutate înainte de a fi recombinate (la o poartă de ieşire) cu alte lungimi de undă ce provin în mod asemănător de la altă poartă de intrare. Această operaţie este însoţită inevitabil de pierderi, filtrări neideale care afectează timpul de creştere, interferenţa între canale ce introduc distorsiuni etc.În figura 16 se prezintă structura unui ruter static cu K=3 MUX şi K=3 DEMUX.

Fiecare fibră care este legată la ODEMUX transmite acestuia un semnal multiplexat (în λ) conţinând M lungimi de undă (purtătoare) diferite, cu M < K. ODEMUX-ul împarte spaţial cele M semnale pe M căi diferite, care sunt apoi grupate în OMUX-uri. Datele pe λ, intră în OMUX-ul „i" şi apare la ieşirea celui de al ,j - i" OMUX. Din cauza imperfecţiunilor (filtrării neideale) apar interferenţe între diverse semnale atunci când acestea traversează ruterii.La OMUX, fiecare ieşire conţine informaţia pe λ j şi de asemenea semnalul de interferenţă cu celelalte M - 1 căi. Reciproc aceasta se petrece şi la ieşire, fiecare semnal pe λi conţine M - 1 semnale de interferenţă produse de DEMUX.Interferenţa în ruterii de acest tip a fost intensiv studiată şi s-a constatat că valoarea maximă a interferenţei acceptabile poate fi cel mult -15 dB în reţele optice în întregime cu dimensiuni moderate (20 λ, 10 ruteri în cascadă). Acest rezultat a avut la bază criteriul de 1 dB penalizare.în figura 17 se prezintă un ruter dinamic ce constă din N DEMUX şi N MUX şi M lungimi de undă.Fiecare intrare primeşte un semnal multiplexat în λ (λ1 .... λ M) pe care ODEMUX-ul le desparte (spaţial) cătrecele M comutatoare (Sw1...........SWM) care le recombină spre cele N OMUX-uri furnizând cele N ieşiri.7.6 Convertoare de lungime de undăCapacitatea unei reţele cu WDM depinde de numărul căilor independente. O cale de a creşte numărul de noduri ale unei reţele este aceia de a schimba o lungime de undă în alta păstrând mesajul iniţial. Conversia lungimii de undă permite de asemenea distribuirea sarcinilor de control şi gestiune a reţelelor la nivel de subreţea.Există trei mecanisme de bază folosite pentru conversie:a) Conversia optoelectronică prin care, semnalul optic de lungimea de undă λi este convertit în semnal electric pentru ca apoi să fie reconvertit în semnal optic dar de această dată pe λ j (i # j) (figura 18).Fig. 18. Conversia λ cu NCSW

NCSW (Non blocking Cros-point SWitch) este un bloc electronic care permite conversia lungimii de undă (semnalul electric purtat de λi este transferat purtătoarei λ j). Acest lucru poate fi realizat (figura 19) şi fărăblocul electronic NCSW, dar cu tehnologie mai avansată utilizând laseri acordabili dacă se impune o

corespondenţă fixă i —► j.b) O altă metodă este OGWC (Optical Gating Wavelenght Conversion) care acceptă un semnal de iintrare pe λ1 care conţine în afară de informaţie şi un semnal continuu (CW) de „probă" pe λ2 (în vederea conversiei λ1 —> λ2).

Fig. 19 Convertor de lungime de undă cu emiţătoare acordabileSemnalul de probă este modulat printr-unul dintre procesele următoare:

1) absorberi saturabil (care absoarbe λ1 permiţând transmisia pe λ2);2) modulaţie încrucişată a câştigului (cu semnalul λ1 se controlează câştigul unui amplificator opticcare are la intrare un semnal nemodulat pe λ 2). 3) modulaţie încrucişată de fază (cu semnalul λ1 se controlează faza unui amplificator optic ce are laintrare semnalul de probă nemodulat; cu ajutorul unui interferometru modulaţia de fază se transformă într-una deamplitudine).

Conversia prin mixare neliniară în care se generează la ieşirea unui mixer neliniar (activ sau pasiv), combinaţii10 (utile) ale lungimilor de undă incidente.

Cap. 8 AMPLIFICATOARE OPTICELungimea maximă a unui link optic este determinată în principal de puterea injectată in fibra optică,de sensibilitatea receptorului, de atenuarea şi dispersia fibrei optice la lungimea de undă la carefuncţionează sistemul. Pentru legături LH (long hăul) regeneratoarele dispuse de-a lungul fibreirefac semnalul periodic, permiţând distanţe mari între emiţător şi receptor. Aceste regeneratoaredevin mai complexe (şi mai scumpe) pentru sisteme de bandă largă şi distanţă mare. Deşiregenerarea semnalului optic este necesară pentru sisteme limitate prin dispersie, totuşi distanţaîntre acestea poate fi crescută (mai ales în cazul fibrei monomod) folosind amplificarea opticăperiodică de-a lungul legăturii, şi renunţând la conversie şi amplificare electrică. Variantele uzualede amplificatoare optice se bazează pe:—> efectul laser în semiconductori,—> pe procese neliniare (intrinseci) de împrăştiere în fibre optice din silice cunoscute subdenumirea de împrăştiere Raman şi Brillouin—> anumite procese fizice ce apar în fibrele optice dopate cu ioni ai unor pământuri rare cum ar fierbium, holomium, neodymium, samarium, thulium, ytterbium, praseodymium,etc.Amplificatoarele optice amplifică lumina incidenţă prin emisie stimulată la fel ca în diodelelaser. în principiu este vorba de o diodă laser în care lipseşte reacţia. Câştigul este realizat prin pompaj optic sau electric pentru a obţine inversia de populaţie.Câştigul optic depinde în general, nu numai de frecvenţa (lungimea de undă) radiaţiei incidente ci şi de intensitatea locală a pompajului în fiecare punct din mediul optic utilizat şi de caracteristicile acestui mediu. Se poate scrie (considerând un model atomic omogen cu două nivele atomice pentru mediul de amplificare) expresia câştigului optic: unde go este valoarea de vârf a câştigului,utilizat, iar P este puterea optică a semnalului ce trebuie amplificat. PS şi T2 (~ 0.1 ps - 1 ns)reprezintă puterea de saturaţie şi respectiv timpul dipolar de relaxare, doi parametri specifici mediului utilizat.Schema simplificată a unui amplificator este dată în figura 1.Fig. 1. Amplificator optic.Amplificarea optică poate să servească mai multor scopuri în cadrul sistemelor de comunicaţii. Există cel puţin

patru

137

Emiţător

astfel de scopuri: amplificatoare de linie, amplificatoare de putere la emisie, preamplificatoare la recepţie şi pentru compensarea pierderilor de distribuţie în reţelele locale LAN. Primele trei situaţii sunt prezentate schematic în figura 2.Amplificarea de putere poate creşte distanţa legăturii cu până la cea. 1 OOKm, amplificatoarele de linie înlocuiesc regeneratoarele electronice iar preamplifîcatoarele măresc sensibilitatea receptoarelor.Ecuaţia (1) poate fi folosită pentru a estima proprietăţile importante ale amplificatorului cum ar fi, lărgimea de bandă a câştigului, factorul de amplificare şi puterea optică de saturaţie. Dacă (P/P s) « 1 amplificatorul optic funcţionează în regiunea nesaturată.Amplificarea maximă se obţine când co = oo0 (atunci când frecvenţa semnalului optic incident este egală cu frecvenţa atomică de tranziţie). Reducerea câştigului când ω # ω 0 se face după o curbă lorentziană caracteristică modelului considerat.Toate amplificatoarele degradează RSZ. În cazul de faţă aceasta se datorează emisiilor spontane în timpul amplificării.Toate diodele laser realizează amplificare înaintea atingerii curentului de prag (SLA - semiconductor laser amplifies). Prezentarea anterioară a presupus un amplificator unidirecţional fără reacţie, denumit TW (traveling wave).SLA au în general o reacţie importantă datorată reflexiilor multiple pe faţetele structurii şi pot fi folosite sub pragul emisiei coerente.Un efort tehnologic considerabil este necesar pentru a realiza straturile antireflex cu reflectivitate sub 0.1%. De aceea (figura 5) sunt adoptate metode alternative cum ar fi:

În prima variantă spaţiul reflectat este separat fizic de cel incident datorită unghiului, dar apare totuşi o reacţie prin împrăştierea modurilor optice în zona activă a structurii; se obţin prin înclinare reduceri semnificative ale reflectivităţii—»de exemplu, dacă pentru a = 90° R ~ 1 % se pot realiza prin înclinare R ~ 10-4.În schema (b) apar două zone transparente între zona activă şi faţetele laserului. Spotul se împrăştie în zona transparentă înainte de a ajunge la interfaţa semiconductor - aer iar spotul reflectat se împrăştie încă o dată în zona transparentă micşorând mult reflectivitatea (împreună cu faţetele antireflex se obţin reflectivităţii de ordinul 10-4) Structurile SLA sunt flexibile permit alegerea lungimii de undă dar au câştig dependent de polarizaţie şi pun probleme tehnologice.Au fost gândite mai multe scheme care să reducă acest fenomen:

a) cu două amplificatoare în serie;b) două amplificatoare în paralel;c) trecere dublă prin amplificator.Amplificatoarele optice pot fi cascadate mai ales pe sisteme LH (long hăul) pentru a compensa pierderile din fibrele optice - atunci când nu este necesară regenerarea periodică (din motive de dispersie). Zgomotul introdus în procesul de amplificare afectează sistemul în două moduri: - zgomotul produs de emisia spontană a unui amplificator se propagă în cascadă prin celelalte fiind amplificat împreună cu semnalul;- nivelul ASE (amplified spontaneous emission) creşte şi începe să satureze amplificatoarele micşorând câştigul. Rezultatul este că semnalul scade şi zgomotul creşte.

În figura 21 este prezentată schema bloc a unui amplificator unidirecţional echipat cu fibră dopată cu erbium. Această schemă este implementată cu pompaj „înainte" (FP- forward pumping) pentru a realiza un zgomot redus. Pompajul este realizat cu dioda laser LD iar funcţionarea este monitorizată cu ajutorul celor două

Amplificare i i

—*

r

diode de recepţie.Amplificatorul are în componenţă dispozitivele de cuplaj C, izolatoarele Faraday ISO cuploarele T , filtrele FI şi F2, şi de asemenea cuploarele selective WSC (Wawelenght Selective Coupler). Punctele reprezintă suduri ale fibrei (conectoare optice). Cu ajutorul a două circulatoare optice OC (Optical Circulator) se poate realiza un amplificator EDF (cu fibră dopată) bidirecţional aşa cum este prezentat schematic în fîg.22.

Cap.9 REŢELE LOCALE

Reţeaua Token Bus şi standardul IEEE 802.4Standardul IEEE 802.4, a fost construit ca o reacţie la standardul 802.3 care nu prevede cadre prioritare şi nu oferă o determinare a timpilor de aşteptare pentru accesul la mediu (protocolul este nedeterminist, cazul cel mai defavorabil nu poate fi estimat printr-o valoare de maxim). Standardul 802.4 propune o reţea cu o topologie liniară - magistrală - (bus, realizat din cablu TV de 75 ohmi), accesul la mediu fiind făcut printr-o metodă fără coliziune, bazată pe jeton (token), pentru a da posibilitatea estimării timpului de aşteptare pentru accesul la mediu.Nivelul fizic se bazează pe transmisia analogică (în bandă largă), utilizând cablu coaxial CATV,acesta fiind unul dintre motivele principale pentru care reţelele Token Bus nu mai corespund performanţelor actuale.Chiar dacă topologia este liniară sau arborescentă, din punct de vedere logic staţiile sunt organizate într-un inel, în care token-ul circulă într-un anumit sens. Figura 1 reprezintă o configuraţie cu staţii active, cuprinse în inelul logic, şi staţii inactive. Fiecare staţie cunoaşte adresele staţiilor din aval şi din amonte, sau de la stânga şi dreapta sa. Dintre staţii, la iniţializare, una este cea care

generează jetonul, şi anume cea cu adresa superioară. La un moment dat, doar o staţie din reţea deţine jetonul, şi deci poate transmite. Mediul fiind partajat între staţii,

fiecare staţie recepţionează toate cadrele din mediu, procesându-le doar pe acelea care îi sunt destinate. Reţeaua operează la viteze între 1.5 şi 10Mbit/s.

Reţeaua Token Ring şi standardul IEEE 802.5IEEE 802.5 specifică nivelul fizic şi subnivelul MAC al reţelei Token Ring. O reţea Token Ring constă din mai multe staţii legate între ele punct - la - punct. Cu toate că topologia este inelară, (figura 3), cablarea reţelei se face sub formă stelară, pentru o întreţinere mai operativă . „Centrul" stelei este concentratorul, de la care pleacă legăturile către staţiile din reţea.

Dacă una din staţii se defectează sau trebuie dezactivată temporar, operaţia de scoatere a staţiei din reţea se face la nivelul concentratorului, prin acţionarea unor relee de trecere bypass .Metoda de acces la mediu Token RingMetoda de acces la mediu este de tip „token passing", bazată pe existenţa unui jeton (sau token) care circulă în reţea de la staţie la staţie. La iniţializarea reţelei, staţia care este desemnată să gestioneze reţeaua, numită monitor activ, va genera token-ul. O staţie poate transmite doar când achiziţionează jetonul. La terminarea transmisiei, sau după un timp determinat, ea este obligată să elibereze jetonul. În anumite cazuri, depinzând de viteza de transmisie şi de numărul de staţii conectate la reţea, pentru a se îmbunătăţii performanţa reţelei, se poate aplica regula eliberării anticipate a token-ului (early token release). Prin aceasta, staţia care a transmis un cadru (sau o secvenţă) nu mai este obligată să aştepte până la întoarcerea cadrului transmis, pentru a elibera token-ul, ci o poate face anticipat, imediat după terminarea transmisiei.Implementarea metodei de acces, în standardul 802.5, presupune că în reţea există un singurjeton; o staţie care a terminat transmisia nu va mai genera alt token, ci va elibera jetonul pe care 1-adeţinut. Pot fi setate priorităţi, există indicatori de rezervare, timer-e pentru controlul perioadei depăstrare a jetonului sau pentru alte acţiuni în derulare, este posibilă confirmarea îndeplinirii unoracţiuni sau semnalarea unor erori. Implementarea metodei de acces la mediu Token Ring se face lasubnivelul MAC.Semnificaţia câmpurilor din cadru este următoarea:ŞD (starting delimiter):Are rol de identificare al începutului fizic al cadrului. AC (access control):Conţine informaţii pentru accesul la mediu (la inel).Cele două câmpuri formează secvenţa de start a cadrului SFS (start of frame sequence).FC (frame control):Defineşte conţinutul cadrului MAC.DA (destination address) şi ŞA (source address):Reprezintă adresele pe 6 octeţi ale staţiei destinatare, respectiv ale staţiei sursă a cadrului curent.RI (routing information):Conţine informaţia de dirijare necesară dacă cadrul parcurge o reţea extinsă prin folosirea de elemente de interconectare bazate pe dirijare de la sursă. Lungimea sa este variabilă, până la 30 de octeţi.

Info : Reprezintă câmpul de date propriu-zis şi poate avea o lungime de la 4 până la 17749 octeţi. Această lungime depinde de viteza de transmisie şi de valoarea timpului acordat staţiilor pentru reţinerea jetonului,(max. 8.9 ms). FCS (frame check sequence):Reprezintă suma de control ED (ending delimiter):Indică sfârşitul pachetului.FS (frame status): folosit pentru înştiinţarea staţiei sursă despre modul cum a decurs transmisia cadrului. Aceste ultime două câmpuri formează secvenţa de terminare a cadrului EFS (end of frame sequence). Structura cadrului special de token este formată din 3 byte: SD,AC,EDCadrele MAC 802.5 sunt transmise unul după altul . Secvenţa de transmisie fiind continuă,sincronizarea între staţii se menţine permanent. În situaţia căderii unei staţii din inel, este posibil să se piardă sincronizarea între staţii. Este motivul pentru care standardul prevede posibilitatea ca primul token şi primul cadru de date dintr-o secvenţă, să fie precedaţi de un număr de biţi (20) de sincronizare.

Comparaţie între standardele 802.3, 802.4 şi 802.5Reţeaua 802.3, mai ales prin implementările Ethernet existente, constituie tipul de LAN cel maifolosit, fiind şi cel mai cunoscut. Algoritmul de acces la mediu, de tip CSMA/CD, este simplu, se comportă bine la încărcări mici şi medii ale reţelelor, dar puţin satisfăcător pentru încărcări mari, când viteza efectivă de lucru poate scădea chiar către jumătate. Algoritmul nu se poate prevedea timpul de aşteptare pentru acces şi nu prevede tratarea priorităţilor. Reţeaua Ethernet prezintă avantajul utilizării unor medii ieftine (şi diverse), dar implică o importantă componentă analogică, şi are limitări serioase în ceea ce priveşte lungimea segmentelor şi lungimea totală a reţelei.Lungimea cadrului 802.3 este limitată atât inferior, la 64 de octeţi, cât şi superior, la aproximativ 1500 de octeţi, dimensiune mica raportată la cele ale cadrelor reţelelor Token Bus şi Token Ring.Cu toate aceste limitări, reţeaua 802.3 (Ethernet) reprezintă baza pentru reţelele de mare viteză.Reţeaua 802.4 are avantaje oferite de algoritmul de acces la mediu (Token Bus) permiţând tratarea priorităţilor cadrelor şi rezolvarea deterministă a accesului la mediu. Se comportă mai bine la încărcări mari ale reţelei fiind mai puţin satisfăcătoare pentru o încărcare slabă. De asemenea, reţeaua poate oferi lăţime garantată de bandă. Protocolul este însă mai complex şi dificil de implementat, folosind tehnologie analogică.802.4 nu pare să aibă viitor neadmiţând utilizarea fibrei optice. Cadrele au o lungime maximă limitată în jur la 8000 de octeţi şi o structură incompatibilă cu cele 802.3.Reţeaua Token Ring, standard 802.5, aduce avantajele algoritmului de acces la mediu, având o comportare forte bună pentru diferite încărcări ale reţelei .Algoritmul Token Ring foloseşte mecanisme de confirmare, implementează un sistem de priorităţi şi are un caracter determinist. Cadrele de date sunt de lungime flexibilă, neavând limitări prestabilite de lungime. Nici cadrul 802.5 nu este compatibil cu vreunul din cele precedente, făcând dificilă interconectarea unor reţele locale de tip 802.x.

Pentru a creşte viteza de transmisie, păstrând preţurile în limite rezonabile, au fost făcute propuneri pentru dezvoltarea unor reţele locale de mare viteză HSLAN (high speed LAN). În general aceste propuneri pot fi împărţite în două mari grupe:• propuneri pentru dezvoltarea unor reţele nebazate pe soluţii Ethernet; se pot menţiona reţelele lOOBaseVG, FDDI, DTR, reţelele ATM.• propuneri pentru dezvoltarea reţelelor de tip Ethernet, lOOBase X (cu variantele lOOBaseTX,lOOBase T4 şi lOOBase FX), Switched Ethernet, Full Duplex Ethernet;Reţeaua FDDI şi standardul ISO 9314O reţea F(C)DDI [Fiber (Copper) Distributed Data Interface] este proiectată pentru fibră optică (cablu torsadat din cupru UTP) Viteza de transmisie este de lOOMbit/s la nivelul Legăturii de date şi 125 Mbit/s la nivelul Fizic.Modul de codificare al datelor este 4B/5B. Topologia logică este inel, figura 4 (de fapt din două inele - unul principal pentru transmiterea datelor şi unul secundar de salvare - backup). Cablarea se poate face în stea, prin folosirea concentratorilor activi. Inelul secundar, aflat normal în stare de aşteptare (idle), face posibilă izolarea fără pierderi a defectelor din reţea, în caz de cădere a unei staţii sau a unui tronson de inel, inelul principal se va închide prin cel secundar, care va fi astfel activat. Parcursul datelor va fi mai lung, lucru ce trebuie considerat la proiectarea fizică a reţelei. In general, s-a urmărit realizarea unei treceri cât mai facile de la standardul 802.5 la FDDI,

făcându-se modificări numai acolo unde erau necesare pentru a exploata posibilităţile de transmisieale inelului de fibră optică.într-o reţea FDDI există trei tipuri de staţii, ilustrate în figura 5:• staţii cu ataşare la ambele inele, - DAS (Dual Attachment Station); sunt prevăzute cu releubypass (pentru izolare de inel); sunt staţii fiabile, complexe (îndeplinesc funcţii de gestiune), dar au preţuri ridicate; • staţii ataşate la un singur inel (primar), - SAS (Single Attachment Station); sunt staţii ce se conectează la reţea prin intermediul unui concentrator, nu detectează şi nu izolează defectele (aceasta o

Metoda de acces la mediuMetoda de acces la mediu pentru FDDI este bazată pe jeton (token), dar activitatea estecontrolată de un ceas (timer) - poartă denumirea de TTP (Timed Token Passing). Astfel, în reţea circulă un singur token, o staţie poate transmite doar când deţine jetonul. Spre deosebire de algoritmul Token Ring, achiziţionarea jetonului şi transformarea sa în început de cadru nu se face prin modificarea unui bit, ci prin absorbţia sa în inel şi începerea generării cadrului de date. Fiecare staţie transmite datele în mod serial şi repetă şirul de simboluri recepţionat către staţia vecină din inel; fiecare staţie eliberează un cadru token imediat după terminarea transmisiei; transmisia datelor poate fi sincronă sau asincronă, cea sincronă fiind prioritară .Formatul cadrului token şi a cadrului de date FDDIStructurile cadrului de date MAC FDDI şi a cadrului token, sunt asemănătoare cu cele de la Token Ring, datorită asemănărilor la nivelul MAC Cadrul de date este:

Simbolul este unitatea de reprezentare a datelor folosită de protocolul MAC din standardul FDDI. El constă dintr-un grup de patru biţi (care se va codifica / decodifica la nivelul Fizic în grup de cinci biţi - metoda de codificare 4B/5B).Semnificaţia câmpurilor din cele două cadre este următoarea:PreambulCompus din 16 sau mai multe simboluri I (simbol idle), utilizat de o staţie receptoare pentru a-şi sincroniza ceasulpropriu (cu cel al staţiei emiţătoare) Se poate spune că este o secvenţă care „prepară" o staţie pentru recepţia unui cadru. Cadrul de token:

ŞD (start delimiter) . .Are rol de delimitare a începutului de cadru, folosind un grup distinctiv de biţi. FC (frame control)Este comun celor două tipuri de cadre (cadrul de date, cadrul de token), având însă conţinut diferit. Dacă face parte din cadrul de date, el indică dacă acel pachet este transmis sincron sau asincron (cazul

transmisiilor de voce sau video, respectiv cazul transmisiei de date).Dacă face parte din cadrul de token, va indica dacă câmpul Info al cadrului curent transportă unităţi de date sau unităţi de de control.DA (destination address) şi ŞA (source address)

Sunt prezente în cadrul de date, fiecare conţinând câte 12 simboluri (6 bytes); transportă adresele staţiei destinatare şi a staţiei emiţătoare ale cadrului curent.Info (DATA) Este de lungime variabilă, până la 8.956 simboluri, conţine date de tip LLC PDU, date utilizatorpropriu-zise, sau MAC PDU (cadre de serviciu).FCS (frame check sequence - câmpul de control al erorii)Conţine suma de control generată de polinomul generator CRC, pe baza câmpurilor anterioare din cadru.ED (end delimiter)Pune în evidenţă sfârşitul logic al cadrului. Este un câmp comun cadrului de date şi de token.FŞ (frame status)conţine cel puţin 3 simboluri cu rol de indicare a realizării sau nu a anumitor acţiuni, precum: indicator de eroare (error detected indicator), indicator de recunoaştere a adresei (address recognited indicator), indicator de copiere a cadrului (frame copied indicator).Operaţii executate la nivelul MACTransmiterea, recepţia şi repetarea cadrelor.Transmiterea cadrelor poate fi de două tipuri:• sincronă, transmisie care se efectuează pentru transportul de voce sau inforrnaţie video,cadrele transmise fiind sub incidenţa unor condiţii restrictive de timp de răspuns (vocea), sau de bandă garantată (semnalul; video);• asincronă, transmisia fiind uzual folosită pentru transportul datelor în reţea.Transmisia sincronă este prioritară transmisiei asincrone, astfel încât o staţie care dobândeşte dreptul la transmisie, va transmite întâi cadrele sincrone, apoi la limita timpului rămas, pe cele asincrone.Nivelul Fizic Subnivelul PHY Funcţiile îndeplinite de subnivelul independent de mediu PHY, sunt:• codificarea NRZ (non return to zero) şi NRZI (non return to zero inverted on one).Simbolurile folosite la nivelul MAC sunt codificate 4B/5B pentru transmiterea către substratulPMD;• codificarea 4B/5B a simbolurilor primite de la nivelul MAC;• separarea semnalului de ceas de cel de date (recepţie) şi combinarea lor (emisie);• compensarea diferenţelor de ceas " dintre staţia curentă şi ceasul reţelei prin buffere de„elasticizare"• determinarea stării liniilor de transmisie şi informarea protocolului de gestionare SMT, carerăspunde de integritatea reţelei;

Subnivelul dependent de mediul PMDSubstratul fizic dependent de mediul PMD descrie probleme ce apar la interconectarea cu mediul. Primul standard aplicat, şi cel mai răspândit şi astăzi, este ANSI X3.166, republicat de ISO sub forma ISO/IEC 9314-6. Standardul se bazează, pe utilizarea fibrei optice multimodale/monomodale cu dimensiuni 62.5/125 micrometrii şi a diodelor de emisie de tip LED/Laser, ce lucrează pe lungimea de undă de 1300 nm, figura7. Distanţa maxim admisă între două staţii FDDI este de 2 km, atenuarea globală de ≤ 11 dB. Conectorii folosiţi (numiţi de standard MIC - Medium Interface Connector) sunt cei mai răspândiţi conectori pentru fibra optică şi anume conectorii duplex ST, având cheie de inserţie configurabilă. Aceasta permite folosirea lor pentru inserarea la oricare port al unei staţii. O staţie FDDI poate avea următoarele tipuri de porturi, fiecare având o configuraţie fizică diferită pentru conector:• port tip A, pentru cuplarea unei staţii DAS ca intrare pentru inelul principal şi ieşire pentru celsecundar (primary in / secondary out);• port de tip B, pentru cuplarea unei staţii DAS ca primary out / secondary in;(fig.8)• port de tip M, pentru cuplare concentrator DAC;

• port de tip S pentru cuplare staţie SAS.Standardul prevede un bloc de codificare suplimentar, pentru că în mediul de transmisie fluxul de

biţi este codificat utilizând multinivel MLT-3 (multi-level transition, un cod ce permite scăderea influenţei atenuării asupra fluxului de biţi) - codul este ilustrat în figura 9; astfel la transmisia datelor, are loc codificarea datelor primite de la substratul PHY, din cod NRZI, în cod NRZ şi apoi în MLT-3, lanţul la recepţia din mediu a fluxului de biţi şi transmiterea sa la nivelul PHY fiind invers, din cod MLT-3 în NRZ şi apoi NRZI (codificarea NRZI - NRZ poate fi făcută şi la nivelul PHY).

Configurarea unei reţele FDDI poate fi făcută în mai multe feluri:• configurare sub formă de inel, dacă se utilizeazădoar staţii DAS;• configurare stelară sau arborescentă dacă sefolosesc concentratoare DAC ca noduri şi staţii SAS,conectate stelar către concentratoare;• realizarea unui trunchi principal (backbone) în formă inelară, la care se cuplează staţiile DAS şi concentratoarele, şi realizarea unui cablaj stelar de la fiecare concentrator către staţiile SAS;148această topologie este cea mai folosită. Toleranţa la defectări a reţelelor FDDI. Dacă una din staţii se defectează sau dacă se întrerupe cablul optic, inelul dublu se reconfigurează automat într-un inel simplu, transmisia de date între staţii rămâne încă posibilă.

In figura 10 se arată acest lucru în variantele : staţie defectă, inel întrerupt, reconfigurare prin switchoptic.

Fig. 10 Reconfigurare în cazul defectării unei staţii sau determinată de întreruperea unui cablu opticCu toate că este un standardul elaborat şi complex, FDDI nu a rezolvat totuşi toate problemele transmisiei la viteze de sute de Mbit/s şi nu s-a impus categoric pe piaţa HSLAN, datorită costului ridicat al interfeţelor. El s-a impus datorită bunei sale comportări la încărcări mari (ce rezultă din folosirea algoritmului de acces la mediu) îndeosebi la realizarea reţelelor tip coloană vertebrală (backbone)pentru interconectarea unor subretele locale cu performanţe diferite (un impact pozitiv îl are şi formatul cadrului FDDI, similar cu cel de la 802.5

Reţeaua lOOBaseVG şi standardul IEEE 802.12Reţeaua 100 BaseVG a fost dezvoltată de Hewlett-Packard pentru aplicaţii de tip multimedia. Este o reţea ce operează la 100 Mbit/s, în banda de bază, fie pe cablul torsadat (UTP cu 4 perechi de fire-categoria 3 -voice grade- patru canale, fiecare cu viteza de 25 Mbit/s, UTP cu două perechi de fire categoria 4 sau 5 sau STP), fie pe cablu optic.O reţea lOOBaseVG prezintă o

topologie arborescentă, figura 11; rădăcina arborelui este un concentrator central (hub), de la care pleacă legăturile către noduri. Cablarea reţelei 100VG se face respectând normele EIA/TIA 568, prevăzând o lungime de cablu torsadat UTP de maxim 100 m, de maxim 150 m pentru cablu torsadat STP şi 2000 m pentru o legătură pe fibră optică.

Concentratorul central (100BaseVG-AnyLAN hub) este un controller inteligent care gestionează reţeaua prin efectuarea unui proces continuu de baleiere a ei, un proces de interogare de tip „round - robin". Se determină astfel cererile de transmisie sau de servicii ale elementelor din reţea. Concentratorul preia pachetele de la staţiile sursă şi le dirijează sprestaţiile destinaţie într-un mod sigur şi coerent. Hub-ul poate fi configurat pentru a accepta şi procesaatât pachete Ethernet/802.3, cât şi 802.5.Din punct de vedere arhitectural, al ierarhiei de protocoale, reţeaua lOOBaseVG prezintăurmătoarele nivele:• un nivel pentru accesul la mediu MAC, unde implementează un protocol de acces numit DP(demand priority);• un subnivel fizic independent de mediu PMI (physical medium independent);• un subnivel fizic dependent de mediu PMD (physical medium dependent).Nivelul de acces la mediu MACAlgoritmul de acces la mediu se bazează pe un mecanism de cerere serviciu, cererea având ataşată o prioritate care elimină coliziunile. Protocolul DP (Demand Priority) se bazează pe faptul că orice nod din reţea, când are de transmis date în reţea, generează o cerere către concentratorul la care este conectat. Cererea are ataşată o prioritate. Prioritatea poate fi una normală, pentru datele uzuale, sau ridicată, pentru pachetele ce transportă informaţii ale unor aplicaţii de timp critic (aplicaţii de timp real, multimedia). Acordarea priorităţii se face de către nivelele software superioare şi este adusă la cunoştinţa nivelului MAC prin câmpurile corespunzătoare ale pachetelor. Protocolul DP se bazează pe următoarele elemente:

• fiecare concentrator din reţea (în primul rând concentratorul rădăcină) execută continuu un proces de interogare; acesta permite determinarea nodurilor conectate direct care au cerere de transmisie pachet, precum şi a priorităţii cererii; • fiecare ciclu de interogare permite fiecărui nod care are de transmis, să emită o cerere detransmitere a unui pachet;• concentratoarele intermediare, dacă au la cel puţin unul din porturile „în jos" (down-link)cerere de transmisie, vor emite o cerere la portul „în sus" (up-link), către nodul superior dintopologie;• un nod cu un singur port (uni-port) va transmite doar un singur pachet la un ciclu de baleiere;

• un concentrator cu „n" porturi „în jos" va putea transmite cel mult „n" pachete, câte unul de lafiecare port (dacă nu intervine o cerere cu prioritate ridicată);• cererile de prioritate normală se deservesc în ordinea numerotării porturilor, până la detectareaunei cereri de prioritate ridicată; la terminarea transmiterii pachetului aferent cererii normale, se vadeservi cererea cu prioritate ridicată, prin transmiterea tuturor pachetelor aferente cererii deprioritate ridicată, şi doar apoi se va reveni la deservirea cererilor cu prioritate normală;• dacă durata transmiterii pachetelor aferente cererii de prioritate ridicată depăşeşte un timpprestabilit, pentru ca cererea întreruptă (cu prioritate normală) să nu aştepte un timp îndelungat,monitorul (un concentrator din arbore, programat corespunzător) îi va ridica nivelul de prioritate,această cerere devenind cerere cu prioritate ridicată.Pentru o reţea 100BaseVG, faza de iniţializare a reţelei, numită LT (Link Training), are rol de iniţializare a hub-ului, a celorlalte noduri din reţea şi de verificare a conexiunilor. În acest sens se schimbă între hub şi noduri o serie de pachete cu rol de test, prin care hub-ul rădăcină „învaţă" configuraţia reţelei (tipul nodului: concentrator, bridge, ruter, simplă staţie, precum şi modul de operare al nodului, adresele staţiilor conectate, etc). O fază de „training" similară este iniţiată de fiecare nod care este ataşat la reţea, sau este demarată la reiniţializarea reţelei.Substratul PMI Funcţiile substratului fizic independent de mediu PMI (physical medium independent):• formatarea finală a pachetului pentru transmiterea sa către substratul fizic dependent de mediuPMD, prin adăugarea preambulului, delimitatorilor de început şi sfârşit de cadru;• codarea datelor 5B/6B;• amestecarea datelor pentru a fi transmise, (data scrambling)De remarcat că dacă se folosesc alte medii de transmisie, precum cablu STP cu două perechi de fire sau cablul optic, sunt necesare scheme de multiplexare, implementate în stratul PMD, care convertesc cele patru canale în două (cazul cablului STP) sau un canal (cablul cu fibră optică mono sau multimodală).Substratul PMDSubstratul fizic dependent de mediu PMD (physical medium dependent) asigură funcţii referitoare la multiplexarea canalelor (dacă reţeaua este implementată cu cablu STP sau fibră optică), codarea NRZ a datelor pentru transmitere, transmiterea şi recepţia datelor în mediu şi controlul stării legăturii fizice între nod şi hub.Operarea în mediu se poate face fie în modul semiduplex HDX (half-duplex), fie total duplex FDX (full-duplex). Controlul legăturii este însă obligatoriu să se facă în mod FDX. Pentru aceasta procedura de control a stării legăturii (link-status control) foloseşte o combinaţie de două tonuri de joasă frecvenţă, combinaţie ce codifică starea legăturii între hub şi nod.Reţeaua Ethernet 100 Base X şi standardul IEEE 802.13Organizaţiile de standardizare au creat grupuri speciale de lucru pentru reproiectarea unei reţele Ethernet care urmează să lucreze la viteze mai mari decât varianta obişnuită. Astfel a apărut standardul 802.13 (pentru reţea lOOBaseX sau Fast Ethernet).

O reţea Fast Ethernet utilizează aceeaşi metodă de acces la mediu, aceleaşi cabluri şi conectori precum Ethernet tradiţional dar este de 10 ori mai rapidă.Fast Ethernet este definită pentru trei implementări fizice diferite:• reţea lOOBaseTXutilizează cabluri torsadate UTP de categoria 5, câte două perechi de fire pentru fiecare direcţie de transmisie; ea foloseşte aceleaşi perechi de fire şi configuraţii de pini, aceeaşi topologie ca reţeaua lOBaseT. În plus, ea lucrează full duplex la 100 Mbit/s, şi pentru a asigura compatibilitatea la nivelul Fizic cu standardul FDDI, utilizează codarea 4B/5B.• reţea lOOBaseFXutilizează fibra optică multimodală; constituie dezvoltarea reţelei de tip 1 OBaseFL, folosită pentru legături punct - la - punct, pe o lungime de până la 2 km. Reţeaua lOOBaseFX are aceeaşi utilitate, asigură aceeaşi distanţă de legare între două repetoare, dar la viteză de 100 Mbit/s, în mod full duplex.• reţea 100BaseT4

Foloseşte cablurile torsadate UTP cu patru perechi de fire, categoria 3;Parametrul care s-a modificat esenţial pentru o reţea Fast Ethernet faţă de reţeaua Ethernet tradiţională la 10 Mbit/s, este domeniul de coliziune. La o viteză de transmisie de 10 ori mai mare, domeniul de coliziune scade; practic, acesta se traduce prin faptul că dacă într-o reţea Ethernet la 10 Mbit/s puteau exista patru repetoare (cinci segmente), la o reţea Fast Ethernet nu ar mai putea exista decât unul.Aceasta implică schimbarea topologiei reţelei Fast Ethernet, pentru a nu exista mai mult dedouă repetoare cascadate. Deci locul repetoarelor îl iau unităţile de comutare de pachete (fie hub multi-port, fie bridge sau ruter), unităţi care nu propagă semnalele de coliziune, separând domeniile de coliziune.Reţelele tradiţionale de tip CSMA/CD sau Token Ring sunt de tip „shared networks", în sensul că staţiile conectate împart banda oferită de mediul de transmisie operând în modul de lucru semi-duplex HDX.Tendinţa actuală utilizarea unui mediu dedicat, reţelele fiind bazate pe legături punct - la -punct, full duplex FDX. Aceasta se realizează prin utilizarea elementelor de comutare LAN (LAN switch - bridge multiport- cu posibilitatea comutării foarte rapide a pachetelor de la un port la altul). O astfel de reţea locală este de tip Switched Ethernet.O altă modalitate de sporire a vitezei este folosirea acelor medii care permit operarea full- duplex FDX. Pentru reţelele Ethernet cu legături FDX se recomandă utilizarea cablului torsadat UTP cu patru perechi de fire, cablului torsadat STP cu două perechi de fire şi a fibrei optice. Cablul coaxial nu poate fi folosit pentru legături FDX, deci nu este prevăzută utilizarea sa pentru reţele HSLAN.

Reţeaua Gigabit EthernetDezvoltarea reţelelor Ethernet continuă în aceşti ani cu propunerea de standard şi realizarea reţelei Ethernet la 1000 Mbit/s- Gigabit Ethernet (1000BaseT,1000BaseLX).Gigabit Ethernet defineşte acelaşi format de cadru, foloseşte metoda de acces CSMA/CD, areaceleaşi mecanisme de control şi management ca reţeaua tradiţională, operează în mod full duplex şi poate suporta viteze de 100 de ori mai ridicate.Ca medii fizice propuse, se preconizează utilizarea a cablului torsadat de categoria 5, folosirea unor noi tipuri de cablu de categoria 6 (200 MHz) şi7 (600 MHz), aflate în curs de standardizare.Fibra optică constituie mediul pe baza căruia se vor realiza reţele de tip: 1000BaseSX ( care foloseşte laser cu frecvenţă mare - Short Wave Laser)pentru legături mai scurte de mare capacitate. lOOOBaseLX (Long Wave Laser), pentru realizarea de legături lungi de tip backbone pentru interconectarea diverselor reţele.Standardele 1000 SX folosesc fibre optice multimod în două variante: cu diametrul miezului de 62,5 sau 50 microni, permit distanţe între staţii de ordinul a 500m şi funcţionează pe lungimi de undă de 1780 nm. Fibrele monomod folosite în 1000 LX au diametrul miezului în jur de 9 microni folosesc laseri pe 11300 nm, permiţând distanţe de circa 3 Km între staţii.

Cap. 10. Aparate de măsura OTDRSingurul lucru pe care îl au în comun toate aparatele pe baza de unde luminoase este conectarea cu alte reţele de abonaţi sau cu dispozitive de testare.Cel mai bun produs din lume cu cel mai bun spectru este neutilizabil dacă nu poate fi conectat corespunzător. Nu doar domeniul lungimilor de undă al echipamentelor a crescut, dar şi cursa a fost începută de acum 10-15 ani pentru a găsi cel mai bun conector de fibră.HP este unic în promovarea soluţiilor pentru optomăsurători pentru toate aspectele reţelei de fibre optice, de la cercetare şi dezvoltare până la utilizarea acestor tehnologii în reţea, unde performanţele echipamentelor sunt necesare.OTDR-ul (Optical Time Domain Refiectometer - Aparat de măsurat în domeniul timp a reflexiilor optice) este principalul aparat folosit pentru joncţionarea şi întreţinerea legăturilor cu fibre optice. Acesta permite ca o linie de legătură să fie măsurată de la un capăt la celălalt. OTDR-ul emite pulsuri de lumină de la o sursă cu diodă laser în fibră. Lăţimea pulsului este de obicei selectabilă de către utilizator. Semnalele caracteristice de la joncţiuni şi din fibra însăşi se întorc reflectate la OTDR. De aici semnalul este îndreptat printr-un cuplor spre receptor unde este convertit în semnal electric şi în final analizat şi afişat pe ecranul OTDR-ului.OTDR-ul măsoară diferenţa de timp dintre momentul transmiterii semnalului şi momentul întoarcerii acestuia. Valoarea de timp este multiplicată cu viteza luminii în fibră pentru a calcula distanţe. Astfel OTDR-ul afişează puterea relativă a semnalului întors în funcţie de distanţă.

Cu aceste informaţii caracteristica principală a liniei este determinată:distanţa - localizarea caracteristicilor liniei, a sfârşitului de fibră sau a întreruperilor.

pierderile - de exemplu pierderea la o joncţiune individuală sau pierderea totală pe toată lungimea legăturii.atenuarea ~ a fibrei în legătură.reflexia ~ mărimea reflexiei ( sau a pierderilor de întoarcere a unui eveniment). Ce se poate face cu OTDR-ul ?Se poate verifica şi documenta calitatea unei linii.Se pot localiza discontinuităţile unei linii. O discontinuitate reprezintă un eveniment din linie ( joncţiune mecanică, joncţiune sudată, conexiuni, ruperi de fibră, etc).OTDR-ul măsoară:- localizarea discontinuităţilor unei legături- atenuarea fibrei în legătură- pierderile unei discontinuităţi- reflexia unei discontinuităţi- pierderile totale din linieOTDR-ul se foloseşte pentru:- instalare şi verificare- întreţinere- localizarea defectelor- identificări de fibră- testarea fibrei de la distanţăÎn timpul montării ( instalării ) fibrei optice, un OTDR este utilizat pentru a fi siguri că joncţiunile şi conexiunile au pierderi mici ( şi reflexii mici în marea majoritate a cazurilor ), aceste pierderi nefiind provocate de îndoiturile sau deformările fibrei şi în final dacă pierderea totală a liniei se încadrează în limitele admise.Pentru întreţinere legătura trebuie periodic verificată cu OTDR-ul pentru a se constata eventualele deranjamente. Dacă legătura este întreruptă ( fibra a fost tăiată accidental) OTDR-ul va fi utilizat pentru localizarea deranjamentului.Pulsul invers

OTDR-ul primeşte şi afişează nu doar semnalele de la discontinuităţi dar şi de la fibra însăşi. Acest semnal este cunoscut sub numele de Pulsul invers (backscatter).În timp ce străbate fibra lumina este atenuată, acest efect numindu-se împrăştierea Raleigh. Aceasta este cauzată de mici schimbări ale indicelui de refracţie a sticlei care se găsesc continuu dealungul fibrei. O fracţiune din pulsul de lumină va fi întoarsă spre OTDR acesta fiind pulsul invers. Receptorul OTDR-ului este făcut să fie foarte sensibil deci poate să detecteze semnale foarte mici (normal detectează un semnal întors din fibră care a fost atenuat între (40-80) dB.

Este foarte important ca OTDR-ul să poată măsura pulsul invers deoarece schimbările în nivel ale acestuia determină pierderile dealungul liniei.Pulsul invers pentru fibre monomod este tipic intre (-48,-52) dB pentru lungimi de undă de 1310 nm şi este între (-31,-38) dB pentru lungimi de undă de 1550 nm.

Indicele de refracţieIndicele de refracţie este un număr, n, utilizat pentru a exprima raportul dintre viteza luminii învid şi viteza luminii în fibră. Indicele de refracţie al fibrei de măsurat trebuie să fie bine cunoscut şiintrodus în OTDR.

Indicii de refracţie sunt tipic între (1,4-1,5).Valoarea exactă este furnizată de către producător.Indicele de refracţie este important pentru calcularea cu exactitate a distanţelor.Dacă valoarea indicelui de refracţie este dată cu o toleranţă de 0,1% distanţa tuturor discontinuităţilor din fibră va fi aflată cu o toleranţă de 0,1%.

Tipic coeficienţii de refracţie sunt:fibră monomod 1550 nm n=l,458fibră monomod 1310 nmn=l,471 fibră multimod 850 nm n=l,496fibră multimod 1300 nm n=l,491* Fibra optică pozată la calea ferată este fibră monomod pentru care coeficienţii de refracţie sunt:n= 1,4681 pentru 1550 nm n= 1,4675 pentru 1310 nmDiscontinuităţi nereflexiveJoncţiunile sudate şi îndoiturile fibrei cauzează pierderi, dar în general nu produc reflexii. Pe ecranul OTDR-ului acestea apar ca nişte căderi bruşte ale nivelului caracteristicii pulsului invers. Diferenţa de nivel reprezintă pierderile acelei discontinuităţi.

mare, (dacă produce un nivel mai mare al pulsului invers faţă de pulsul invers recepţionat în mod normal din fibră) pulsul invers va fi mai mare după joncţiune decât înaintea ei.

Fenomenul de amplificare

OTDR-ul măsoară pierderile pe joncţiuni prin comparaţia între pulsul invers măsurat iniţial şi după joncţiune. Pierderile pe joncţiune produc o scădere a nivelului pulsului invers după joncţiune faţă de nivelul de dinaintea joncţiunii. Oricum, dacă fibra după joncţiune are un coeficient de întoarcere

PENTRU A AFLA PIERDERILE REALE DIN JONCŢIUNE,

TREBUIE MĂSURATA JONCŢIUNEA DIN AMBELE CAPETE AL FIBREI

O joncţiune nu poate produce amplificare; poate produce doar pierderi deoarece este pasivă. Oricum OTDR-ul, din cauza felului în care măsoară pierderile joncţiunilor, adesea afişează amplificări. Dacă o anumită joncţiune arată că produce o amplificare, totdeauna caracteristica va fi crescătoare în acel punct, indiferent ce marcă de OTDR se foloseşte.În acest caz singurul mod de a afla valoarea reală a pierderilor este să se măsoare acea joncţiune cu OTDR-ul conectat şi la celălalt capăt al fibrei şi să se facă medierea celor două pierderi citite (numită media celor două moduri-two way averaging).în general dacă q joncţiune arată că produce amplificare înseamnă că pierderile prin ea sunt foarte mici.

Discontinuităţi reflexiveConexiunile mecanice şi crăpăturile din fibră cauzează amândouă pierderi şi reflexii. Pierderile sunt determinate de schimbarea nivelului pulsului invers. Fluxul luminos întors spre OTDR (care permite aprecierea pierderilor) va fi determinat de amplitudinea reflexiei la suprafaţa discontinuităţii suprapus peste pulsul invers.

Măsurarea pierderilor şi a reflexiei primului conector

5dB/div 200m/div

ORICE FIBRA DE LANSASE CONECTATA EXTERN SAUINTERN (PRIN CONSRUCTIA OTDR-ului) POATE FI

UTILIZATA PENTRU MĂSURAREA PIERDERILORCORDONULUI DE MĂSURA

Pierderile interne şi pierderile prin reflexie ale cordonului de măsură câteodată trebuie să fie măsurate pentru a se verifica dacă este vreo problemă cu el. Aceasta poate să fie făcută având un alt cordon de măsură în OTDR sau extern (cu conector).Este foarte important ca să fie curate conectoarele, un conector murdar producând pierderi şi poate reflexii mari care măresc zonele oarbe (zone care nu pot fi citite).Sfârşitul de fibră

Sunt două posibilităţi de sfârşit de fibră:Primul - dacă sfârşitul de fibră a fost tăiat pe o suprafaţă perpendiculară sau dacă a fostinstalat un conector, reflexia va fi de 4%, aceasta fiind reflexia Fresnel.Al doilea - dacă fibra este ruptă, suprafaţa neregulată provoacă dispersia luminii, deci nu va exista reflexie. în acest caz semnalul afişat are o simplă cădere de la nivelul pulsului invers până la nivelul de zgomot al OTDR-uluiEste posibil ca pentru o fibră ruptă să se producă reflexie, însă nu va avea o amplitudine aşa de mare ca amplitudinea citită pentru o suprafaţă finală tăiată perpendicular şi / sau lustruită.

Tipuri de fibre folosite Fibre şi conectori

Fibrele monomod au dimensiunile 9/125 um.Fibrele multimod au dimensiunile 50/125 um sau 62,5/125 um.Amândouă aparatele OTDR au o varietate de moduri de măsurat fibre monomod. De asemenea MiniOTDR-ul are o varietate de moduri de măsurat fibre multimod.Cerinţele pentru fibre sunt viteze mai mari, atenuări mai mici pe km, puteri de lansare mai marişi preţuri cât mai miciO putere mai mare nu este neapărat mai bună pentru utilizator, pentru că aceasta poate arde particulele de praf din interiorul conectorilor. Dacă acest lucru se întâmplă măsurătoarea va fi eronată.Pentru reţelele LAN de obicei se folosesc fibre multimod. Sunt mai puţin costisitoare şi de obicei acoperă distanţe mai scurte decât fibrele monomod.Lungimile de undă folosite pentru fibre multimod sunt 850 nm şi 1300 nm. Pentru fibrele monomod se folosesc lungimile de undă de 1310 nm şi 1550 nm.

3.2 Folosirea cordoanelor de măsură

Dacă un cordon de măsură monomod este folosit pentru măsurarea fibrei multimod, sau dacă se foloseşte un cordon de măsură multimod de 50 um pentru măsurarea fibrei multimod de 62,5 um sau 100 um, este posibil ca distanţele să fie măsurate cu exactitate dar atenuările vor fi măsurate eronat.

Aceasta se întâmplă datorită faptului că lansarea pulsului de lumină se face dintr-un mediu cu diametru mai mic într-un mediu cu diametru mai mare, şi acesta din urmă nu se umple complet, rezultând erori la măsurarea pierderilor.Dacă un cordon de măsură multimod se foloseşte pentru măsurarea fibrei monomod va rezulta o pierdere de putere când se lansează pulsul de lumină dintr-un diametru de 50 um sau 62,5 um intr-un diametru de 9 um şi de asemenea se reduce şi domeniul de măsură (distanţa maximă pe care o poate scana aparatul).Tipuri de conectori utilizaţi la măsurarea cu OTDR-ul

_DREPT, FARA CONTACT DREPT, CU CONTACT UNGHIULAR; CU CONTACT

Conectorii pot fi lustruiţi drept sau sub un anumit unghi şi pot fi cu sau fără contact. În general lustruirea depinde de tipul de conector.Drept, fără contact. Capătul conectorului este lustruit pe o suprafaţă plată, perpendicular pe axa fibrei. In conector, capetele de fibră sunt perpendiculare pe axa fibrei şi între ele va fi o lentilă de aer, datorită construcţiei mecanice. Această lentilă de aer produce o reflexie de aproximativ 4% adică pierderi de întoarcere de 14 dB. Acesta este cel mai defavorabil caz pentru conectori. Se foloseşte la fibre multimod.Drept, cu contact (PC phisical contact - contact fizic). Capătul conectorului este perpendicular pe axa fibrei, dar este lustruit sub formă de calotă convexă. Aceasta determină contactul fizic dintre capetele celor două fibre, aceşti conectori numindu-se de tip 'PC (exemplu FC/PC, ST/PC). Se foloseşte la fibre monomod. pierderile de întoarcere sunt mai mari (reflexii mai mici) cam 30 dB.Unghiular cu contact (APC angle phisical contact - contact fizic unghiular). Se foloseşte doar la fibre monomod. Capătul conectorului este lustruit sub un unghi (de obicei 8° faţă de planul perpendicular pe axa fibrei) .Acest lucru determină ca lumina reflectată să treacă prin cămaşa fibrei mai mult decât lumina care întoarce în fibră. Acest tip de conector are cel mai înalt grad de pierderi de întoarcere. În plus, conectorii sunt lustruiţi sub formă de calotă convexă permiţând contactul celor două fibre astfel că se reduc suplimentar reflexiile întoarse în fibră. Acest tip de conector are pierderile de întoarcere de ordinul (70-80) dB sau mai bune. Cele mai comune tipuri sunt FC/APC, SC/APC, DIN/APC (sau DIN 4108).Datorită reducerii luminii reflectate se reduce zona oarbă de după conexiune.Conectori de fibrăConectorii de fibră de tipul drept, cu contact (FC/PC) au :- pierderi pe joncţiune de (0,1 - 0,3) dB.- pierderi de întoarcere mai mari ca 45 dB.

Principalele cerinţe pentru o bună conectare sunt:- pierderile pe joncţiune (cât mai mici)- pierderile de întoarcere (cât mai mari)- repetabilitatea sau numărul de conectări-deconectări (cât mai mare)- durabilitatea-rentabilitatea (cât mai bună)Sunt câteva grupe de conectori :- drept, cu contact- drept, fără contact- unghiular, cu contact- unghiular fără contact

Un OTDR este în principiu echipat cu conectori dintre aceste tipuri de conectori, de obicei cu tipurile drept cu contact şi unghiular cu contact. Amândouă au pierderi de întoarcere mari şi pierderi pe joncţiune mici. Pierderile de întoarcere mari sunt importante deoarece reduc reflexiile de la suprafaţa conectorului şi micşorează zona oarbă de după conexiune.Conectorii de fibră de tipul unghiular cu contact (FC/APC) au :- suprafaţa înclinată cu 8° faţă de planul perpendicular pe axa fibrei- pierderi pe joncţiune de (0,2-0,5) dB- cele mai bune pierderi de întoarcere (mai mari decât 60 dB)Ambele OTDR-uri au o opţiune (opţiunea nr. 022) care furnizează unghiul conectorului de ieşire. Avantajul utilizării conectorului unghiular este că micşorează zonele oarbe de după conexiune.Multe sisteme de mare viteză sau legături CATV utilizează conectori unghiulari pentru a reduce reflexiile întoarse în fibră, deoarece laserii de mare viteză sunt foarte influenţaţi de aceste reflexii.Conectorii unghiulari sunt mai dificil de construit cu exactitate, de aceea atenuările pe conexiune sunt ceva mai mari. De asemenea mai au un mic dezavantaj fiind dependenţi de polarizare. Pierderile pe conexiune pot schimba cu câteva zecimi de dB stările de polarizare.Curăţarea conectorilorCurăţarea conectorilor nedeterioraţi este esenţială pentru o bună măsurătoare.Se întrerupe emisia de lumină.Se verifică toţi conectorii, dacă sunt deterioraţi se schimbă.Se curăţă folosind procedurile bine stabilite (cele arătate în ghidul de buzunar).Particulele de praf sunt mici, dar în comparaţie cu miezul de 9 um al fibrei, pot fi considerate mari şi pot obtura parţial sau total capătul fibrei.

Pentru o bună conexiune conectorii trebuie să fie curaţi şi nedeterioraţi. Reguli generale:- se suflă murdăria cu aer curat sub presiune- se utilizează alcool izopropilic şi un pămătuf din bumbac- se utilizează o cârpă moale pentru a îndepărta particulele dizolvate- se suflă cu aer sub presiune pentru a îndepărta orice alte fragmente rămase pe suprafaţa conectorului- se cercetează suprafaţa conectorului de zgârieturi şi particule arse şi se remediază aceste neajunsuri.Pentru mai multe informaţii se va cerceta ghidul de buzunar.

Măsurătorile cu OTDR-ul Domeniul dinamicSE ADUNA RAPORTUL SEMNAL/ZGOMOT CERUT LA PIERDERILE DIN LINIE PENTRU A DETERMINA DOMENIUL DINAMIC NECESAR

Domeniul dinamic este un factor important ce afectează şi calitatea măsurătorilor cu OTDR-ul.În figură se arată raportul semnal / zgomot necesar pentru a vedea cu certitudine locul joncţiunilor. Tehnologia de astăzi permite ca pierderi pe joncţiuni mai mici de 0,1 dB să fie remarcate. Deci pentru verificarea acestor joncţiuni de pe toată linia de legătură este necesar un domeniu dinamic mare.In acest exemplu este afişată o linie cu 31 dB atenuare totală. Pentru a măsura joncţiuni de 0,1 dB la sfârşitul liniei, este necesar un domeniu dinamic de 39,5 dB.Domeniul dinamic este diferenţa în dB dintre nivelul iniţial al pulsului de lumină şi pragul (nivelul) de zgomot. Pentru a putea măsura pierderi în joncţiune cât mai mici, trebuie ca raportul semnal zgomot să fie cât mai mare conform tabelului:

Sunt două referinţe pentru domeniile dinamice :vârf - este diferenţa în dB până la nivelul de vârf al pragului de zgomot.medie(SNR=l) - reprezintă diferenţa în dB până la nivelul mediu al pragului de zgomot. Aceasta îmbunătăţeşte cu aproximativ 2 dB domeniul dinamic însă mai folosit este domeniul dinamic cu referinţă la vârf.162Întrebare: Ce pierderi totale (în dB) sunt acceptate în linie, dacă se doreşte să se măsoare o pierdere de 0,02 dB într-o joncţiune chiar lângă sfârşitul liniei ? Se foloseşte un modul cu 40 dB domeniul dinamic instalat în OTDR.Răspuns: 40 dB -12 dB = 28 dB pierderi totale.Domeniul de măsură al OTDR-ului este definit ca atenuarea maximă ce poate fi localizată între

poarta optică de ieşire a OTDR-ului şi şi o discontinuitate ce va fi măsurată, pentru care instrumentul este capabil să măsoare în limitele erorilor admise.

Pentru a putea măsura anumiţi parametri ai liniei, domeniul de măsură trebuie să fie funcţie de domeniul dinamic (DD) ca în tabelul de mai jos (referinţa medie a domeniului dinamic).

Distanţa care poate fi măsuratăDistanţa maximă care poate fi măsurată depinde de atenuarea din fibră şi de domeniul dinamic al OTDR-ului. Pentru a măsura fibre lungi, sau pentru a măsura rapid fibre scurte, trebuie un domeniu dinamic mare.

Este greşită idea că distanţa maximă care poate fi setată pe scara OTDR-ului arată ce lungime maximă de fibră poate fi măsurată. Acest lucru nu este adevărat. Domeniul dinamic şi atenuarea în fibră (în dB pe km) determină lungimea maximă care poate fi măsurată. Pulsul invers nu poate fi sesizat după punctul unde caracteristica intersectează pragul de zgomot. Extinzând scala se va afişa o arie mai mare

de zgomot.Chiar dacă fibra nu este lungă, sau dacă are atenuare mare, se va dori un domeniu dinamic mare, pentru o mai bună precizie a măsurătorilor rapide când se setează minimul timpului de mediere.Zona oarbă sau rezoluţia a două puncte

In timp ce domeniul dinamic determina cat de departe se poate analiza fibra, zonele oarbe determina cat de in amanunt si cat de apropiate pot fi doua discontinuitati pe care OTDR-ul le poate masura.Zonele oarbe sunt zone care apar datorita reflexiilor aparute la jonctiunile sau conexiunile mecanice, care tind sa satureze receptorul OTDR-ului. O zona oarba apare totdeauna la nivelul suprafetei de separatie intr-o conexiune mecanica si la toate celelalte reflexii aparute dealungul fibrei.Sunt doi parametri pentru zonele oarbe care acum au fost in mare masura acceptate in industrie:atenuarea zonei oarbe - este distanja de la inceputul reflexiei pana la punctul unde nivelul receptorului a revenit la +0,5dB fata de pulsul invers din momentul reflexiei (minim 20m). Unele documentatii (BELLCORE) prevad +0,1 dB . Dupa acest punct OTDR-ul poate masura din nou atenuari si pierderi, pentru ca se poate receptiona din nou pulsul invers.momentul zonei oarbe - este distanta de la inceputul reflexiei pana la punctul unde caracteristica amplificata a scazut fata de nivelul maxim cu l,5dB (minim 4m). Dupa aceasta distanta o alta reflexie poate fi identificata. Oricum, pierderile si atenuarea nu pot fi masurate.Zonele oarbe se mai numesc si rezolutia a doua puncte, deoarece determina cat de apropiatepot fi doua discontinuitati care pot fi detectate.Zonele oarbe se doresc a fi cat mai scurte cu putina.Utilizarea cordoanelor de masura lungi (fibre de lansare) pentru eliminarea zonelor oarbeCordonul de masura (fibra de lansare) trebuie sa fie mai lung decat atenuarea zonei oarbe.

DOAR 0 FIBRA DE LANSARE SUDATA LA FIBRA TESTATA POATE AXITA LA ELIMINAREA ZONEI OARBE DATORATE ONECTORULUI OTDR-ului.

Orice reflexie, inclusiv cea produsa la suprafata portii optice de ies.ire a OTDR-ului cu cordonul de masura, produce o zona oarba. Reflexia va satura receptorul OTDR-ului si se va mentine pe durata unui puls. Dupa ultimul puls se observa o revenire exponentials (o coada). Dupa aceasta, OTDR-ul poate masura pulsul invers. Aceasta zona oarba se observa adesea pentru 10s la metru pentru pulsuri scurte, sau 100s la metru pentru pulsuri lungi necesare masuratorilor distantelor mari.

Denumirea este de fibre de lansare, deoarece zona oarba produsa de suprafata conectorului, se va gasi in interiorul cordonului de masura si va permite un inceput bun pentru masurarea fibrei testate. Aceasta doar in cazul cand conectarea la fibra testata se face printr-o jonctiune nereflectiva.Singura modalitate este de a folosi o jonctiune sudata, ceea ce inseamna ca trebuie folosita o masina de sudat (splicemachine), fibra testata neavand inca montat conectorul. Daca fibra de lansare este atasata la fibra de test printr-un conector, o alta zona oarba va apare in fibra testata deviind astfel de la scopul propus.Utilizand un conector unghiular la intrarea in OTDR, se poate reduce lungimea zonei oarbe.Domeniul dinamic depinde de - latimea pulsului luminos - - timpul de mediere - felul OTDR-uluiZona oarba depinde de - latimea pulsului luminos- suprafetele reflective- felul OTDR-uluiIn continuare vor fi examinati parametri care afecteaza domeniul dinamic si zona oarba. De semnalat ca unii parametri afecteaza deopotriva domeniul dinamic si zona oarba. De obicei aceasta inseamna compromis si mult timp pentru optimizarea unui domeniu dinamic mare si zone oarbe mici.Majoritatea OTDR-urilor permit utilizatorilor sa selecteze latimea pulsului de lumina. Un puls mare, la aceeasi valoare de varf, confine mai multa energie decat unul scurt. Deci un puls mare produce un semnal intors mai mare (un nivel mai mare al pulsului invers) decat un puls scurt, inseamna ca un puls mare mareste domeniul dinamic.Utilizand un puls mare apar consecinte. Zonele oarbe devin mai man.Un puls mic inseamna zone oarbe mai mici permitand ca doua jonctiuni mecanice apropiate sa fie detectate. Insa un puls mic implica un domeniu dinamic prea mic pentru a vedea clar sfarsitul de fibra.

Pulsul mare implica un domeniu dinamic suficient pentru a vedea pulsul invers clar pana la sfarsitul fibrei, dar zonele oarbe se maresc, reducand rezolutia dintre doua jonctiuni mecanice apropiate.

OTDR-ul trimite pulsuri de lumina repetitive in fibra. Rezultatele tuturor pulsurilor sunt mediate. In acest fel zgomotul aleator la receptie mediat scade in timp. Pe ecranul OTDR-ului pragul de zgomot scade cu timpul. Asteptand mai mult, domeniul dinamic creste. Imbunatatirile substantiate apar cam in primul minut. Dupa aceasta, imbunatatirea pragului de zgomot scade, (aceeasi imbunatatire otyinuta intr-o prima perioada de timp va fi realizata dupa aceasta intr-o perioada cel putin dubla de timp).Multe OTDR-uri sunt setate implicit pentru un domeniu dinamic aflat dupa 3 min. de medieri (BELLCORE TR).Dupa cum se observa, obtinerea unui domeniu dinamic mare inseamna timp. Iata de ce, HP furnizeaza module cu diferite domenii dinamice. Un modul cu domeniul dinamic mai sensibil cu ldB, poate reduce la jumatate timpul de mediere. Modulele OTDR-ului pot man cu 4dB domeniul dinamic, daca se masoara 3 min. in loc de 10 s. Modulele dinamice man nu sunt numai pentru distance lungi, ele salveaza de asemenea timp pentru toate masuratorile.

Tipul ODTR-ului are un efect major asupra domeniului dinamic si a zonelor oarbe, pe care le poate obtine. Tipul receptorului OTDR-ului este important. Exista doua Tipuri de OTDR-uri.ODTR-uri de inalta rezolutie. La acest tip de OTDR, receptorul are o latime de banda lata. In domeniul timp aceasta inseamna zone oarbe inguste. Oricum, zgomotul in receptor este proportional culatimea de banda, deci acest tip de ODTR are un prag de zgomot ridicat si implicit un domeniu dinamic redus. OTDR-urile de malta rezolujie de obicei utilizeaza pulsuri cu latime mica, pentru a obtine zone oarbe mai mici. Acest lucru reduce domeniul dinamic deoarece nivelul pulsului invers va fi mai mic.ODTR-uri de distanta lunga. La acest tip de ODTR, latimea de banda a receptorului este ingusta, pentru a reduce pragul de zgomot si pentru a creste domeniul dinamic. Aceasta incetineste top i de tranzitie de la receptie si rezulta zone oarbe mai mari. OTDR-rile de distanta lunga utilizeaza pulsuri cu latime mare care maresc domeniul dinamic dar de asemenea contribuie la marirea zonelor

PRECIZIA DISTANTEI ESTE IN FUNCTIE DE PRECIZIA BAZEI DE TIMP, DE ESANTIONUL DE DISTANTA A , DE INDICELE DE REFRACTIE SI DE FACTORUL DE CABLARE

Factorul de cablare. OTDR-ul măsoară lungimea fibrei, care de obicei este mai mare decât lungimea cablului (pentru a permite întinderea) .Pentru a afla lungimea cablului trebuie cunoscut factorul de cablare.Precizia distanţei dată de OTDR depinde de obicei de lăţimea eşantionului şi de precizia bazei de timp. Dacă pentru acestea precizia poate fi chiar bună, trebuie avut în vedere că erorile datorate setării indicelui de refracţie cauzează erori mult mai mari.

Mascarea opticăO mască este un comutator opto-acustic, plasat înaintea receptorului OTDR-ului.Este folosită la reducerea zonelor oarbe care sunt cauzate de reflexii. În timp ce receptorul OTDR-ului este foarte sensibil pentru a putea distinge pulsul invers ce are un nivel scăzut de putere, reflexiile pot fi cu peste 50 dB faţă de acesta, producând saturaţia receptorului. Lăţimea zonei oarbe este în principal datorată timpului necesar receptorului să revină la nivelul de recepţie al pulsului invers.Scopul măştii este de a bloca lumina către receptor pe timpul reflexiei (la fiecare dintre ieşirea conectorului aparatului sau orice pereche de conectori). în acest fel receptorul niciodată nu va ajunge în saturaţie şi revenirea va fi mai rapidă, reducând zonele oarbe. Pe ecranul OTDR-ului semnalul cade spre pragul de zgomot în timpul cât masca este activă. Aceasta înseamnă că pulsul invers nu este vizibil în acest timp, acolo fiind o zonă oarbă datorită măştii. O unică dar costisitoare tehnologie.Tipic pentru OTDR-urile cu mască, atenuarea zonelor oarbe poate fi semnificativă. Oricum, cele mai bune performanţe pot fi atinse plasând măşfile manual (nu automat), însă acest lucru este foarte delicat. Normal, doar un utilizator experimentat poate executa această operaţie care de altfel consumă mult timp pentru poziţionarea corectă a măştilor pentru a obţine cele mai bune rezultate, aceasta implică plasarea măştilor în locurile de reflexie, executarea de măsurători şi tot aşa până când rezultatul obţinut este cel scontat. Acesta este evident un proces obositor şi îndelungat, şi deşi există şi un procedeu de plasare a măştilor automat, zonele oarbe în acest caz sunt mult mai rele.Pierderile de întoarcere şi reflexiaPentru că transmisiile de mare viteză pe legături de tip Telecom sau CATV folosesc laseri complecşi (de exemplu laser DFB), care sunt foarte sensibili la reflexii, măsurătorile reflexiilor

fiecărei discontinuităţi din linie sau pierderile de întoarcere de pe întreaga linie trebuie cunoscute.CONECTOR

PIERDERILE DE ÎNTOARCERE SUNT UN IMPORTANT PARAMETRU DEOARECE MULŢI LASERI POT FI PERTURBAŢI DE REFLEXII

Domeniul dinamic - determină cât de departe în fibră se pot măsura mici discontinuităţi, atât

cât timpul de mediere este suficient pentru ca acestea să fie observate. Distanţa de măsură poate fi crescută prin creşterea lăţimii pulsului de lumină sau a timpului de mediere.Zona oarbă - afectează distanţa de la o reflexie faţă de care se poate observa o joncţiune sudată sau o pierdere. Zona oarbă determină cât de apropiate pot fi două discontinuităţi refiective ce pot fi observate. Această rezoluţie poate fi îmbunătăţită prin micşorarea lăţimii pulsului de lumină.Precizia distanţei - precizia localizării unei discontinuităţi este determinată de eşantionul de lungime, eroarea bazei de timp, indicele de refracţie şi lăţimea pulsului.Optimizarea domeniului dinamic - implică un domeniu dinamic mai mare dar zone oarbe mai lungi.Optimizarea rezoluţiei - Implică un domeniu dinamic mai mic dar şi zone oarbe mai mici şi rezoluţia dintre discontinuităţi mai mare.