1. Sistemes de comunicacions Elements bàsics d’un enllaç simple Formats de comunicació Atenuació i dispersió Sistemes i xarxes. Components addicionals Comunicacions Òptiques

A. Elements bàsics d’un enllaç simple Enllaç simple: Transmetre informació d’un punt a un altre Senyal rebut TX RX Canal Missatge enviat Missatge rebut Senyal enviat Missatge: informació que es vol transmetre Senyal: magnitud física on s’implementa el missatge Format: manera d’implementar el missatge al senyal TX: dispositiu que implementa el missatge al senyal Canal: medi per on es transmet el senyal des del TX al RX RX: dispositiu que recupera el missatge del senyal Comunicacions Òptiques

Capacitat de transmissió Objectius: Que la informació rebuda sigui igual que la transmesa Poder transmetre la informació el més lluny possible Poder transmetre la informació el més ràpid possible Capacitat de transmissió En un sistema ideal, podem anar tan lluny i aviat com volguem sense que la informació transmesa es degradi. En un sistema real, no és així, i cadascun dels components del sistema ens limita en major o menor grau. El conjunt determina els límits d’operació del sistema. Comunicacions Òptiques

B. Formats de comunicació 1. El missatge és, habitualment, transformat en primer lloc a un senyal elèctric amb un transductor 20 15 10 5 -5 V(t) ~ T(t) t V(t) Vn Vs f V(f) Df Fons de soroll DR = Vs/Vn SNR = (Vs/Vn)2 Comunicacions Òptiques

2. Aquest senyal pot usar-se directament o digitalitzar-se X(t) Missatge original t B(t) Representació binària …01011110100000101… Forma arbitrària Menor ample banda Més sensible al soroll Forma fixada Major ample banda Menys sensible soroll Digital permet: transmetre més lluny i aviat, compatibilitat amb altres serveis, major seguretat de les dades, millor qualitat de les comunicacions, i menor temps per a desenvolupar el sistema. Comunicacions Òptiques

Com es representa un senyal en forma binària? a) Teorema de mostreig (Nyquist): una magnitud que evoluciona contínuament en el temps amb freqüència màxima F pot ser representada fidedignament prenent mostres de la magnitud a temps discrets, tn = n Ts sempre i quan 1  2 F Ts (Fs = 1/Ts  2 F). t X 1 2 3 4 5 t X 1 2 3 4 5 T 2T 3T 4T 5T 6T 7T 8T 9T 10T 11T 2.9 3.8 3.7 2.7 1.9 1.5 1.6 1.7 2.1 1.8 0.8 Comunicacions Òptiques

T = 1 = F Fs = 12.5 Fs = 6.25 Fs = 5 Fs = 3.15 Fs = 2 Comunicacions Òptiques

T = 1 Aliasing! Fs = 1.6 Comunicacions Òptiques

b) Teorema de la informació (Shannon): si una magnitud té una SNR donada, (Xs/Xn)^2, pot ser codificada en forma binària usant un nombre de bits m  0.5 * log2 ( 1 + SNR) sense introduïr distorsió apreciable en reconstruïr-la (soroll de quantització  Xn). Xs = 2 Xn = 0.5 SNR = 16 m ≥ 2.04 m= 3  8 nivells Comunicacions Òptiques

Soroll de quantificació! Comunicacions Òptiques

B = m Fs  F log2 ( 1 + (Xs/Xn)^2 ) t X 1 2 3 4 5 Senyal original analògic t X 1 2 3 4 5 T 2T 3T 4T 5T 6T 7T 8T 9T 10T 11T 2.9 3.8 3.7 2.7 1.9 1.5 1.6 1.7 2.1 1.8 0.8 Shannon: N ≥ (1 + SNR)^(1/2) Nyquist: T ≤ 1/F Senyal mostrejat i codificat binari t T 2T 3T 4T 5T 6T 7T 8T 9T 10T 11T Y 1 010 011 011 010 001 001 001 001 010 001 000 Bit-rate resultant B = m Fs  F log2 ( 1 + (Xs/Xn)^2 ) Comunicacions Òptiques

a) relaxar els requeriments de linealitat dels elements del sistema Telèfon: F = 3.4 kHz Xs/Xn = 31.6 B  30 kb/s B = 64 kb/s Música Hi-Fi stereo: F = 20 kHz Xs/Xn = 31623 B  2 x 1.2 Mb/s B = 4.32 Mb/s PAL TV: F = 5.5 MHz Xs/Xn = 1000 B  110 Mb/s B = 142 Mb/s Digitalització  augment de l’amplada de banda del sistema, però permet: a) relaxar els requeriments de linealitat dels elements del sistema b) amplificar i regenerar el senyal al canal c) reduir l’impacte del soroll d) encriptació i codificació dels missatges: seguretat/correcció d’errors Comunicacions Òptiques

Formats digitals binaris més corrents 1 1 1 1 1 NRZ RZ NRZ: menor ample de banda recuperació CLK RZ: doble ample de banda recuperació CLK Comunicacions Òptiques

impossible resposta instantània TX En realitat, els polsos no són rectangulars: impossible resposta instantània TX Diferents possibles mesures temporals d’un pols t P(t) P0 P0 /2 DT TFWHM tpic<t> trms Comunicacions Òptiques

Comunicacions Òptiques

transmissió en banda base 3. El senyal elèctric (analògic o digital) es pot transmetre directament a través del canal, i aleshores tenim transmissió en banda base Una altra possibilitat és usar-lo per a modular una ona transmissió per portadora Ona: amplitud, freqüència i fase Ona (portadora) Modulació d’amplitud Modulació de freqüència Comunicacions Òptiques

També es poden combinar les modulacions bàsiques Comunicacions Òptiques

Transmissió per portadora: més complicat, però pot ser útil: X(t) Missatge original f X(f) Df Fons de soroll Modulació analògica d’amplitud S(t) f S(f) 2 Df t Transmissió per portadora: més complicat, però pot ser útil: si propietats transmissió del canal depenen de f compartir el mateix canal entre múltiples usuaris (TX/RX) Comunicacions Òptiques

Multiplexat per portadora f |X(f)|2 AM FM VHF UHF UWB BPF A cada TX se li assigna una freqüència portadora per a la transmissió, i un ample de banda  format de transmissió Sintonitzant un BPF es selecciona al RX la f portadora, es rep el senyal i es descodifica el missatge Comunicacions Òptiques

C. Atenuació i dispersió L TX RX En general, les propietats del canal depenen de la freqüència f = w/(2p) del TX Coef. Atenuació Velocitat de fase Senyal: no monocromàtic  diferents components viatgen a diferent velocitat i amb diferent atenuació Distorsió del senyal Comunicacions Òptiques

En un sistema ideal, a(w) = 0, n(w) = constant i x(t) = 0 z1 z2 z3 z4 P(t) Pols invariant: durada constant alçada constant Podem arribar tan lluny com volguem sempre i quan la SNR del TX sigui prou per a que el RX recuperi el senyal correcte Sensibilitat del RX Comunicacions Òptiques

Si no hi hagués dispersió ni soroll, només atenuació z1 z2 z3 z4 S(t) Si no hi hagués dispersió ni soroll, només atenuació Reducció d’àrea: durada constant alçada minvant a(w) Finestres de baixa atenuació: podrem arribar més lluny f Comunicacions Òptiques

Si no hi hagués atenuació ni soroll, només dispersió z1 z2 z3 z4 P(t) Si no hi hagués atenuació ni soroll, només dispersió Àrea constant: durada creixent alçada minvant n(w) Finestres de baixa dispersió: podrem arribar més lluny w Comunicacions Òptiques

També depenen de les característiques del senyal generat pel TX z=0 z=L t - tL L’atenuació i la dispersió que sofreixen els senyals per anar del TX al RX: Depenen fortament del medi o la guia per on té lloc la propagació del senyal que transporta la informació. També depenen de les característiques del senyal generat pel TX En general, augmenten amb la distància recorreguda El soroll té més influència d’efectes externs, però també depèn de la guia i augmenta amb la distància. Distorsió del senyal analògic Errors en la recuperació del codi binari Comunicacions Òptiques

Sistemes digitals binaris Error: llegir un 1 quan s’ha transmès un 0 i viceversa Diagrama d’ull Histograma P1(X) Nivell de decisió P0(X) Comunicacions Òptiques

Sistema amb molts d’errors. Ull tancat V0 V1 ND Sistema amb pocs errors. Ull obert V0 V1 ND Comunicacions Òptiques

Especificat el màxim BER tolerable, C = max(B*L) BER: # bits erronis per bit rebut Capacitat de transmissió del sistema: Especificat el màxim BER tolerable, C = max(B*L) Sistemes limitats per pèrdues: a(w) L’atenuació redueix els nivells a límits on les distribucions es superposen i el soroll ens fa errar Sistemes limitats per dispersió: ISI La dispersió eixampla els polsos, augmentant el nivell als 0 i reduint el dels 1, fent que també es superposin les distribucions. Comunicacions Òptiques

Limitat per pèrdues t Limitat per dispersió t Comunicacions Òptiques

D. Sistemes i xarxes. Sistemes i xarxes: més complexos que punt a punt BUS TX RX unidireccional RX TX bidireccional Comunicacions Òptiques

ESTEL unidireccional TX RX RX TX bidireccional Comunicacions Òptiques

ANELLA RX TX Comunicacions Òptiques

Combinacions múltiples per a definir sistemes Comunicacions Òptiques

Synchronous Digital Hierarchy Standards de comunicacions Synchronous Digital Hierarchy SONET Bit Rate (Mbps) SDH OC-1 51.84 - OC-3 155.52 STM-1 OC-12 622.08 STM-4 OC-24 1244.16 STM-8 OC-48 2488.32 STM-16 OC-96 4976.64 STM-32 OC-192 9953.28 STM-64 Comunicacions Òptiques

Velocitats molt elevades: encaixar nivells de SDH uns dins els altres (TDM) En el temps d’un bit original, es pren una mostra de cadascun dels N canals a temps T/N, i es disposen seqüencialment, donant N bits de durada T/N i multiplicant la velocitat de transmissió per N Comunicacions Òptiques

WAN STM-64 MAN LAN STM-16 STM-16 STM-16 STM-16 STM-4 STM-4 STM-8 STM-4 Comunicacions Òptiques

E. Components addicionals Per a poder bastir sistemes complexos basats en SDH ens calen molts d’elements addicionals als TX/RX MUX / DEMUX temporals i de freqüència (WDM) filtres divisors de potència circuladors i aïlladors amplificadors i regeneradors de senyal routers switchers gestió de la xarxa etc... Comunicacions Òptiques