Struktura

Používané multiplexy

Používané multiplexy

Multiplexování je termín používaný v telekomunikacích, elektronice a počítačových sítích k popisu procesu, při kterém je více analogových signálů nebo digitálních datových toků kombinováno do jednoho signálu, který je dále přenášen jedinou přenosovou cestou.

Cílem multiplexování je snaha o co nejefektivnější využití přenosového prostředí (trasy) se základní myšlenkou co nejlepšího ekonomického zhodnocení přenosových cest. Jako příklad můžeme uvést současný přenos více telefonních hovorů či přenos dat od různých uživatelů, směřujících k různým příjemcům pomocí jedné přenosové cesty. Multiplexování, jež má své počátky v telegrafii, je nyní široce využíváno ve všech typech elektronických komunikací.

Zařízení provádějící multiplexování se nazývá multiplexor (MUX) a zařízení provádějící převod signálu zpět na jednotlivé signály se nazývá demultiplexor (DEMUX). Tato zařízení se u jednotlivých druhů multiplexování značně liší, všechna však mají jedno společné, a to sdružování jednotlivých signálů (MUX) do jednoho celku, který je přenášen a jeho převod zpět na jednotlivé signály (DEMUX) libovolnou metodou. Obrácené multiplexování (IMUX, z anglického „inverse multiplexing”) má opačný cíl než klasické multiplexování. Jde o rozložení jednoho datového toku na více datových toků, jejich přenesení několika komunikačními kanály současně a obnovení původního datového toku. Na obrázku je obecné schéma multiplexování.

Obr. 1: Obecné schéma multiplexu

Multiplexy dělíme podle toho, jakým způsobem dochází ke skládání jednotlivých toků signálů nebo datových toků na:

  • frekvenční multiplex

  • časový multiplex

  • vlnový multiplex

  • kódový multiplex

Frekvenční multiplex

Příkladem analogové techniky multiplexu je frekvenční multiplex (FDM, Frequency Division Multiplexing). Lze si jej představit tak, že analogový signál na každém ze vstupních kanálů je posunut do jiné vyšší frekvenční polohy (do jiného rozsahu frekvencí) a to tak, aby se žádné tyto polohy vzájemně nepřekrývaly. Pak je možné takto frekvenčně posunuté signály jednoduše sečíst (sloučit) do jednoho širšího signálu a ten přenést přes dostatečně široký přenosový kanál. Na druhé straně se pak provede přesně obrácený postup. Jednotlivé dílčí signály se zase od sebe oddělí a vrátí do původní frekvenční polohy (do svého původního frekvenčního rozsahu). V praxi je frekvenční multiplex nepříliš výhodný právě kvůli tomu, že jde o analogovou techniku - různé frekvenční posuny, vzájemné slučování a následné oddělování nejsou nikdy ideální a vždy určitým způsobem znehodnocují přenášený signál. Jde jen o míru tohoto znehodnocení, tak jak ostatně u všech analogových technik. V optických přenosových systémech se prakticky nepoužívá.

Časový multiplex

Princip časového multiplexu spočívá v přidělování přesně vymezených časových intervalů přenosové cesty tzv. timeslotů, na které je přenosový rámec rozdělen, jednotlivým kanálům a to podle předem známého a definovaného postupu. Nejjednodušeji cyklicky každému kanálu na stejnou dobu. Důležité je přitom užití „předem známého postupu“, který umožňuje přijímací straně zjistit, komu náleží data přijatá v daném okamžiku. Prakticky se ve všech případech využívá tzv. rámcové struktury. Rámec je tvořen určitým počtem timeslotů, které mají přiděleny jednotlivé kanály, rámec se opakuje stále dokola a každý signál se tedy přenáší se stejnou pravidelností. Řešením, jak rozlišit, kde timeslot pro konkrétní signál začíná a končí, je přidání speciálního timeslotu s přesně definovaným obsahem určující začátek rámce. Blokové schéma časového multiplexu je na obrázku.

Obr. 2: Schéma časového multiplexu

Typickým příkladem použití TDM (časový multiplex) u optických tras jsou sítě SONET/SDH. U těchto technologií je pevně definována hierarchie použitých rychlostí. U SDH sítě je základní rychlost 155,520Mbit/s a každá další rychlost je čtyřnásobná (multiplexovaná) oproti nejnižší bližší rychlosti.

STM řád přenosová rychlost (Mbit/s)
1 155,520
4 622,08
16 2,5 Gbit/s
64 10 Gbit/s
256 40 Gbit/s

Limitace TDM

Technologie časového multiplexování je však u optických tras limitována jednotlivými prvky sítě:

  • modulační schopností laserového zdroje

  • přenosovou kapacitou vlákna

  • rychlostí odezvy zdroje záření

Dalším omezením může být také to, že rychlost nemůžeme plynule zvyšovat, ale jsme nuceni ji zvýšit skokově. Například pokud nám již přestává stačit 622 Mbit/s, musíme zvýšit rychlost na 2,4 Gbit/s, i když by nám stačil například 1 Gbit/s. Se stále se zvětšující přenosovou rychlostí (tedy zmenšujícími se délkami jedniček a nul) se zvětšuje i vliv chromatické disperze.

V důsledku chromatické disperze se různé spektrální složky přenášeného impulsu šíří vláknem různou rychlostí (přenášený impuls má vždy nutně více spektrálních složek), některé se tedy zpožďují oproti jiným, a tudíž se impuls při průchodu trasou bude časově rozšiřovat. Toto má za následek, že roztažený impuls bude zasahovat do sousedních bitových intervalů a dojde ke zkreslení přenášené informace. Dále také rozšířením impulzu v čase zároveň klesá jeho energie a tím se snižuje odstup signálu od šumu. Chromatická disperze je tvořena dvěma složkami:

  • materiálovou

  • vlnovodovou

Materiálová disperze spočívá v závislosti indexu lomu materiálu použitého pro výrobu vláken na vlnové délce záření. Tím se každá vlnová délka šíří materiálem různě rychle. Podle již dříve uvedeného vztahu platí:

v = c/n [ m/s ]

v rychlost šíření v daném prostředí [ m/s ]

c rychlost světla ve vakuu [2,997925·108 m/s ]

n index lomu prostředí [ - ]

Vlnovodová disperze je způsobena tím, že i geometrické vlastnosti vlákna ovlivňují šířící se signál. Vlnovodovou složku můžeme tedy ovlivňovat profilem indexu lomu v jádře.

Materiálová a vlnovodová disperze pak působí v optickém vláknu společně a nazýváme ji chromatickou disperzí. Velikost chromatické disperze optického vlákna charakterizuje tzv. koeficient chromatické disperze udávající změnu skupinového zpoždění signálu při průchodu vláknem v závislosti na vlnové délce. Hodnota koeficientu udává rozšíření impulsu v pikosekundách, při užití zdroje záření se spektrální šířkou 1nm po průchodu vláknem dlouhým 1km.

Velikost roztažení impulsů vlivem chromatické disperze se mění velikostí koeficientu chromatické disperze vlákna D, spektrální šířkou zdroje záření (tím budou rozdílnější spektrální složky impulsu, které se šíří vláknem odlišnou rychlostí) a délkou optické trasy. 

Kódový multiplex

Kódový multiplex (CDMA, code division multiple access) je metoda digitálního multiplexování, tzn. přenosu více digitálních signálů prostřednictvím jediného sdíleného média, která jednotlivé signály rozlišuje tím, že každé z nich používá odlišné (vhodně navržené) kódování. Zkratkou CDMA se pak také označuje konkrétní využití této technologie v mobilní telefonii, které řeší digitální multiplexing.

CDMA řeší vícenásobný přístup, nikoli serializací jednotlivých kanálů (‘rozdělením’ v čase jako TDM) ani rozdělením frekvencí pro jednotlivé kanály (jako v případě FDM), ale kóduje data speciálním kódem, který je přiřazen každému kanálu a používá vlastnosti tzv. konstruktivní interference speciálních kódů pro dosažení multiplexování.

Vlnový multiplex

Potížím, které způsobuje použití časového multiplexu v optických systémech, se můžeme vyhnout použitím tzv. vlnového multiplexu (WDM). Neustálému navyšování přenosových rychlostí použitím TDM se můžeme vyhnout použitím více vlnových délek pro přenos a na každé vlnové délce aplikovat časový multiplex.

Princip WDM

Vlnový multiplex WDM (Wavelength division multiplexing) využívá kapacitu optického média jiným způsobem než časový multiplex TDM. Jak již bylo řečeno, vlnový multiplex přiřadí každému vstupnímu optickému signálu určitou vlnovou délku a po jednom vlákně pak probíhá přenos všech vstupních signálů současně bez vzájemného ovlivňování. Tuto situaci si lze jednoduše představit například jako dálnici, která využívá více jízdních pruhů, zatímco u TDM se využívá pouze jeden jízdní pruh a větší propustnosti (přenosu) se dosahuje jen zvýšením maximální povolené rychlosti. Blokové uspořádání systému WDM je na obrázku.

Obr. 3: Schéma vlnového multiplexu

Dělení vlnového multiplexu:

  • CWDM (Coarse WDM), (také označován jako řídký)

  • DWDM (Dense WDM), (také označován jako hustý)

CWDM

Pro CWDM byly definovány a v roce 2002 standardizovány jednotlivé kanálové rozteče s první nosnou 1270 nm a poslední 1610 nm, s odstupem mezi jednotlivými kanály 20 nm a tolerancí nosné 6,5 nm. Větší rozteč kanálů a dodatečná tolerance je nutná z důvodu použití obecně méně kvalitních zdrojů záření v optických přístupových sítích a závislosti vysílané vlnové délky na teplotě. Díky tomu jsou ale systémy CWDM všeobecně levnější než multiplexy s hustým vlnovým dělením DWDM.

DWDM

Varianta DWDM používá mnohem menší rozteče mezi jednotlivými kanály a potřebuje nižší toleranci vlnové délky jednotlivých nosných. Tím pádem dovoluje ve stejném pásmu umístit větší počet vlnových délek. Pro použití hustého vlnového multiplexu jsou však nutné aktivně chlazené optické zdroje (DFB lasery) a celkové náklady jsou mnohem vyšší než při použití CWDM. Pro použití v optických sítích se pro dělení DWDM definuje rozteč jednotlivých nosných 0,8 nm, což umožňuje přenos 32 až 80 vlnových délek ve třetím telekomunikačním okně (1525 – 1575 nm).

Zdroje

Obrázky:

  • Obr. 1: Archiv autora
  • Obr. 2: Archiv autora
  • Obr. 3: Archiv autora
  • Obr. 4: Autor neznámý. www.google.cz [online].[cit. 31.10.2014]. Dostupný na WWW: www.google.cz/search?q=wdm&rlz=1C1KMZB_enCZ520CZ563&espv=2&biw=1014&bih=608&source=lnms&tbm=isch&sa=X&ei=Nsy4VOqcKY_caKrcgvAP&ved=0CAYQ_AUoAQ#tbm=isch&q=cwdm&imgdii=_&imgrc=3my8Qb2O4Dc-lM%253A%3BvdE9HY44HdESJM%3Bhttp%253A%252F%252Fwww.ramonmillan.com%252Fimagenes%252Ffotostutoriales%252Fcwdmrejilla.jpg%3Bhttp%253A%252F%252Fwww.ramonmillan.com%252Ftutoriales%252Fcwdm.php%3B716%3B447
  • Obr. 5: Archiv autora
  • Obr. 6: Archiv autora

Obrázek

Content obrazek050

Obr. 4: Umístění vlnových délek pro CWDM

Obrázek

Content obrazek043

Obr. 5: Porovnání charakteristiky zdroje vhodného pro WDM (modrá křivka) a nevhodného pro WDM (červená křivka)

Obrázek

Content obrazek048

Obr. 6: Vliv chromatické disperze na impuls přenášeného signálu v optickém vlákně

Logolink