Multiplexing dei segnali nei sistemi in fibra ottica
Multiplexing a divisione di tempo (TDM)
Il multiplexing a divisione di tempo (TDM) combina numerosi segnali digitali in un bit stream digitale seriale unico. Un circuito specializzato, definito serializzatore, suddivide i flussi paralleli in ingresso e li assegna a slot temporali nell'uscita seriale. In un sistema in fibra ottica il bit stream seriale è trasmesso come lunghezza d'onda unica lungo un cavo in fibra ottica. All'estremità remota del canale, un deserializzatore ricostruisce il segnale parallelo originale dal bit stream seriale, come illustrato nella Figura 1. Il data rate seriale deve avere una velocità sufficiente ad assicurare che non ci sia perdita di dati. In generale, i trasmettitori e i ricevitori in fibra ottica per segnali AV ad alta risoluzione operano a data rate compresi fra 4 e 6 Gbps.
La tecnica TDM è utilizzata per trasmettere un'ampia gamma di segnali, fra cui HDMI, DVI, 3G‑SDI, RGB, video component HD e SD, S-video, video composito, USB, audio e controllo RS‑232. Nei moderni sistemi AV in fibra ottica il video e l'audio analogici sono convertiti in segnali digitali, in modo da evitare effetti non lineari che si ripercuotono sulla conversione ottica diretta dei segnali analogici. La trasmissione digitale garantisce un invio pixel per pixel del video ad alta risoluzione lungo il cavo in fibra ottica.
Il trasmettitore nella Figura 2 riceve video HDMI/DVI, audio stereo e segnali di controllo RS‑232. Il multiplexer combina i segnali sotto forma di flusso seriale di impulsi digitali. Un convertitore elettrico-ottico trasforma gli impulsi digitali in impulsi luminosi ad una lunghezza d'onda univoca per la trasmissione lungo la fibra. Il ricevitore all'estremità remota converte il segnale dalla sfera ottica alla sfera elettrica prima della procedura di deserializzazione per ripristinare il segnale originale.
Multiplexing a divisione di lunghezza d'onda (WDM)
Il multiplexing a divisione di lunghezza d'onda (WDM) si riferisce alla trasmissione di due o più segnali ottici a lunghezze d'onda differenti lungo la stessa fibra. Lunghezze d'onda multiple che percorrono una fibra possono essere paragonate a numerosi segnali radio che si spostano nell'etere a diverse frequenze. Ogni lunghezza d'onda trasporta un segnale differente, indipendente dalle altre lunghezze d'onda. Inoltre, le varie lunghezze d'onda possono muoversi nella stessa direzione o in direzioni opposte, così da consentire comunicazioni ottiche bidirezionali lungo una singola fibra, come illustrato nella Figura 3. Se i convertitori ottici sono dotati di una larghezza di banda sufficientemente elevata, la tecnica WDM permette di mantenere il data rate e il formato del segnale originale sia nel dominio ottico che nel dominio elettrico.
Il multiplexing WDM è adatto a qualsiasi applicazione che richiede la trasmissione di molteplici segnali su cavi in fibra ottica. I segnali possono essere completamente indipendenti, al pari di diversi canali in un ambiente di TV via cavo, segnali USB o RS‑232 bidirezionali, componenti di un segnale HDMI o DVI multi‑percorso o una combinazione di questi. I singoli segnali sono applicati a lunghezze d'onda diverse per una trasmissione indipendente lungo lo stesso cavo in fibra.
Il trasmettitore e il ricevitore WDM mostrati nella Figura 3 consentono la trasmissione di un segnale HDMI/ DVI su un cavo in fibra. Il trasmettitore è dotato di cinque input e un output. Ogni input è dotato di un convertitore elettrico-ottico e di un diodo laser che opera ad una lunghezza d'onda univoca. Un dispositivo speciale, definito multiplexer/demultiplexer WDM, combina le varie lunghezze d'onda per la trasmissione su un cavo in fibra ottica.
Il multiplexer/demultiplexer WDM separa inoltre il segnale ottico utilizzato per i dati di ritorno, che opera ad una diversa lunghezza d'onda rispetto agli input. Il segnale ottico con i dati di ritorno passa attraverso un convertitore ottico-elettrico per recuperare il segnale originale.
Il ricevitore WDM illustrato nella Figura 3 è dotato di cinque output e un input. Il multiplexer/demultiplexer WDM nel ricevitore separa i segnali ottici e invia ciascun segnale a un convertitore ottico‑elettrico distinto.
Segnalazione bidirezionale
I segnali bidirezionali, come USB, RS‑232 o Ethernet, vengono utilizzati in un'ampia gamma di applicazioni AV. Come mostrato in precedenza nella Figura 3, un sistema WDM trasmette segnali bidirezionali su un'unica fibra utilizzando una lunghezza d'onda univoca per i dati di ritorno. In un sistema TDM, la trasmissione a una lunghezza d'onda univoca è per natura unidirezionale, per cui la segnalazione bidirezionale è realizzata utilizzando una seconda fibra, come mostrato in Figura 4.
Distanza di trasmissione dei segnali AV
In un sistema WDM, la distanza massima di trasmissione è condizionata da perdita ottica, larghezza di banda della fibra e skew fra i canali. La perdita ottica equivale a attenuazione nella fibra, collegamenti e giunzioni. Il budget di perdita, determinato dalla potenza in uscita del trasmettitore e dalla sensibilità in ingresso del ricevitore, corrisponde alla quantità massima di perdita ottica tollerabile nel link in fibra fra il trasmettitore e il ricevitore. La larghezza di banda della fibra è il valore massimo di frequenza o data rate che può essere trasmesso lungo un determinato segmento di cavo in fibra ottica. Lo skew, o ritardo, è causato dalla propagazione a diverse velocità delle varie lunghezze d'onda lungo la fibra, come mostrato nella Figura 5. Il risultato è simile allo skew prodotto dai diversi rapporti di torsione nei cavi di categoria in un sistema twisted pair.
La quantità di skew in un sistema WDM dipende dalla gamma di lunghezze d'onda utilizzate nel sistema. Nei sistemi multimodali che utilizzano lunghezze d'onda intorno a 850 nm, lo skew può essere il fattore dominante che limita la distanza di trasmissione. Ad esempio, un sistema HDMI con un pixel clock di 225 MHz presenta un valore massimo consentito di skew fra i canali di 1,78 ns.
Un dispositivo molto diffuso utilizzato in extender HDMI e DVI WDM multimodali offre una distanza massima specificata di circa 300 metri prima che lo skew superi il valore di 1,78 ns. Lo stesso dispositivo può funzionare fino a 400 metri per un segnale HDMI o DVI con un pixel clock di 165 MHz per tollerare un valore massimo di skew di 2,42 ns.
Un sistema TDM trasmette il segnale ottico a una singola lunghezza d'onda, così che l'intero segnale si propaga alla stessa velocità. A fronte di un valore di skew trascurabile, la distanza massima di trasmissione è limitata soltanto dal budget di perdita disponibile e dalla larghezza di banda del sistema. Un budget di perdita gestito in maniera attenta e l'utilizzo di fibra OM4 ad elevata larghezza di banda ottimizzata per laser permette ai sistemi TDM multimodali di raggiungere distanze massime di 2 km, come mostrato nella Figura 6. Ne consegue che i sistemi TDM raggiungono distanze di trasmissione di molto superiori ai sistemi WDM utilizzati per l'estensione dei segnali AV.
I sistemi monomodali si servono di lunghezze d'onda ampie intorno a 1310 nm o 1550 nm. A queste lunghezze d'onda i sistemi WDM sperimentano uno skew fra i canali inferiore per raggiungere distanze di trasmissione superiori. Un sistema monomodale WDM standard per segnali HDMI/DVI trasmette fino a 12 km, a fronte di distanze di 30 km per un sistema monomodale TDM. Tuttavia, non tutti i sistemi WDM supportano la fibra OS1, la tipologia più comune di fibra monomodale installata. Sistemi WDM con lunghezze d'onda di circa 1390 nm risentono di attenuazione elevata nella fibra OS1 a causa di picchi di assorbimento dell'acqua, come mostrato nella Figura 7.
L'attenuazione limita drasticamente la distanza di trasmissione. A una lunghezza d'onda di circa 1390 nm, l'attenuazione nella fibra OS1 può essere pari ad almeno 4 dB/km a causa di picchi di assorbimento dell'acqua. Presupponendo un budget di perdita compreso fra 10 e 13 dB, la distanza massima di trasmissione è limitata a un intervallo fra 2 km e 3 km a questa lunghezza d'onda. Per raggiungere una distanza di trasmissione superiore, questo tipo di sistema WDM richiede fibra monomodale OS2 a picco di assorbimento dell'acqua ridotto. In alternativa, un sistema TDM monomodale utilizza una lunghezza d'onda di 1310 nm o 1550 nm, con un'attenuazione della fibra OS1 generalmente non superiore a 1 dB/km, in modo da operare a capacità complete di distanza sia su fibra OS1 sia OS2.
Collegamento a cascata
Il collegamento a cascata, illustrato nella Figura 8, consente di distribuire un segnale a numerose destinazioni senza necessità di dispositivi di routing o distribuzione o di molteplici trasmettitori. Un segnale AV proveniente da un unico trasmettitore o da un unico output di una matrice è inviato ad un ricevitore che supporta la configurazione a cascata. Il ricevitore invia in uscita un segnale loop che viene trasmesso al ricevitore successivo. Questa configurazione utilizza una singola fibra dal trasmettitore o dall'output della matrice al primo ricevitore della serie. Una singola fibra collega ogni altro ricevitore in sequenza per un utilizzo efficiente dell'infrastruttura in fibra. Una configurazione di questo tipo è ideale in applicazioni di digital signage.
In un sistema TDM, la seconda fibra usata per le comunicazioni bidirezionali è spesso disponibile come loop‑out per realizzare una configurazione a cascata, come illustrato nella Figura 9. Dato che il bit stream è singolo, ritrasmettere il segnale richiede un unico convertitore elettrico-ottico. Per contro, un sistema WDM trasmette bit stream multipli e richiede convertitori ottici multipli e un multiplexer/demultiplexer WDM aggiuntivo per implementare un loop‑through. Per questo un ricevitore WDM ha in genere un unico collegamento in fibra e non supporta configurazioni a cascata.
Sistemi sicuri
Gli ambienti sensibili rappresentano sistemi che gestiscono informazioni riservate, come le sale di briefing militari o governative, i centri operativi di emergenza o le sale aziendali di presentazione o pianificazione di tecnologia proprietaria. Molti di questi sistemi hanno la necessità di accedere ad informazioni da fonti sia pubbliche che riservate. Le fonti riservate sono definite segnali "rossi", mentre le fonti pubbliche vengono definite segnali "neri".
I requisiti dettagliati dei sistemi sicuri sono spesso confidenziali e non accessibili al pubblico, ma le linee guida generali sono divenute di pubblico dominio. I sistemi sicuri con sorgenti "nere" devono prestare particolare attenzione al fine di garantire che le informazioni "rosse" non fuoriescano attraverso il collegamento con la sorgente nera. I sistemi "rosso/nero" devono essere elettricamente isolati l'uno dall'altro. In un sistema che utilizza cavi in rame, i segnali rossi e i segnali neri devono rimanere fisicamente separati. Dal momento che i cavi in fibra ottica sono costruiti in vetro, un sistema in fibra ottica è la scelta preferenziale dato che offre un isolamento elettrico pressoché totale fra i segnali rossi e neri, come illustrato nella Figura 10.
I sistemi sicuri richiedono l'unidirezionalità dei segnali provenienti da sorgenti pubbliche. Non è consentita la trasmissione di alcun segnale da un sistema "rosso" sicuro ad un sistema "nero" non sicuro. Per questa ragione i sistemi in fibra ottica TDM sono preferiti ai sistemi WDM. I dispositivi bidirezionali in fibra ottica che usano tecniche WDM non possono essere utilizzati per collegare una sorgente nera ad un sistema rosso.
Commutazione e distribuzione
Commutazione e distribuzione attive nei sistemi AV
I sistemi di commutazione utilizzati nei sistemi AV in fibra ottica impiegano in genere tecnologia O‑E‑O (input e output ottici, commutazione elettrica). Il segnale ottico viene convertito in segnale elettrico all'input di un router, switcher o distributore.
Viene quindi elaborato nel dominio elettrico e ripristinato in segnale ottico sull'output. I sistemi di tipo O‑E‑O ristabiliscono il pieno livello di potenza di trasmissione sull'output al fine di mantenere intatto il budget di perdita ottica. L'utilizzo della tecnologia O‑E‑O evita le perdite che si verificano in sistemi di tipo O‑O‑O (input, distribuzione e output ottici) che utilizzano splitter passivi per distribuire segnali ottici verso destinazioni multiple, un fattore particolarmente importante quando si trasmette in multicasting un segnale AV ottico a numerosi display.
Commutazione e routing di segnali AV TDM in fibra ottica
I sistemi di commutazione TDM elaborano un singolo bit stream seriale per ogni segnale al fine di creare una progettazione efficiente e compatta. Il sistema di commutazione a lunghezza d'onda/fibra singola effettua una singola conversione elettrica‑ottica per ciascun input e una singola conversione ottica‑elettrica su ciascun output, come illustrato in Figura 11. La commutazione digitale ad alta velocità garantisce prestazioni pixel per pixel per segnali video ad alta risoluzione. La matrice mantiene inoltre il formato seriale del segnale per semplificare la commutazione e preservare un timing corretto.
Dato che il bit stream digitale seriale è conservato, la commutazione può avvenire indipendentemente dal formato video sottostante, come illustrato nella Figura 12. In questo modo il sistema di distribuzione può supportare un'ampia gamma di segnali digitali, fra cui HDMI/DVI, 3G-SDI, USB, RS-232 e altri. Le tipologie di segnale sono definite dagli endpoint, ovvero trasmettitore e ricevitore. I segnali digitali seriali, come 3G-SDI, sono supportati nel formato nativo e consentono collegamenti locali in ingresso e in uscita.
I segnali bidirezionali sono gestiti agevolmente utilizzando due fibre, un input e un output commutati insieme. Tuttavia, segnali multi‑percorso come HDMI, DVI e RGB richiedono trasmettitori e ricevitori esterni per supportare input e output locali. La capacità di supportare un'ampia gamma di segnali semplifica l'aggiornamento delle sorgenti e dei display con un impatto minimo sul sistema di routing e commutazione.
L'efficiente progettazione di una matrice TDM consente di utilizzare un ampio numero di input e output in uno spazio compatto e requisiti moderati di alimentazione. FOX Matrix 14400 di Extron mostrata nella Figura 12 offre una matrice in fibra ottica non‑blocking 144x144 completa in un frame 8U.
Commutazione e routing di segnali AV WDM in fibra ottica
Il formato di una matrice per segnali WDM è più ampio e complesso rispetto a uno scenario con segnali TDM, come mostrato nella Figura 13. Ogni input in fibra ottica integra il completo circuito del ricevitore WDM per convertire il segnale ottico in un formato HDMI/DVI. Il sistema di commutazione principale supporta il formato multi‑percorso dei segnali HDMI/DVI, che richiede numerosi componenti paralleli di commutazione interna. Ogni output in fibra ottica integra il completo circuito del trasmettitore WDM per riconvertire il segnale HDMI/DVI in un segnale ottico. Le risorse di commutazione e l'elettronica I/O supplementari comportano un formato ampio, requisiti elevati di alimentazione e necessità di ulteriore raffreddamento per le matrici WDM. Dato che il sistema di commutazione principale supporta segnali HDMI/DVI nel formato nativo è facile aggiungere input e output locali alla matrice. Il supporto di altre tipologie di segnale, ad esempio 3G‑SDI, richiede convertitori esterni per modificare il segnale originale in un segnale DVI/HDMI. In genere le matrici WDM non offrono supporto di segnali 3G‑SDI locali.
Dimensioni relative delle matrici TDM e WDM
Una matrice digitale ad alta velocità in un sistema TDM opera in maniera efficiente e in genere assorbe una quantità inferiore di potenza rispetto a una matrice WDM. Grazie a una progettazione efficiente, una matrice TDM occupa inoltre meno spazio a rack. Ad esempio, il sistema A della Figura 14 è la matrice in fibra ottica 144x144 FOX Matrix 14400 di Extron che occupa otto unità rack. È compatibile con l'intera gamma di trasmettitori e ricevitori FOX per supporto di segnali HDMI conforme HDCP, DVI, 3G‑SDI, RGB, component HD/SD, S-video, video composito, USB, audio stereo e controllo RS‑232. È disponibile anche una scheda matrice per fornire input 3G‑SDI locali.
Il sistema B della Figura 14 è una matrice WDM 80x80 di formato quasi doppio, pari a 15 unità rack, che supporta segnali HDMI e DVI conformi HDCP. Non offre supporto di segnali 3G‑SDI, video a definizione standard, audio, USB e di controllo, ma offre input e output HDMI e DVI locali. Il sistema C della Figura 14 è una matrice WDM 144x144 che occupa 16 unità rack ma supporta soltanto segnali DVI non conforme HDCP, VGA, video component HD, audio e controllo RS‑232 unidirezionale. Non offre supporto di segnali 3G‑SDI, video a definizione standard e controllo RS‑232 bidirezionale. In quanto matrice WDM, supporta input e output DVI o VGA locali ma non supporta segnali HDMI conforme HDCP. Il sistema TDM rappresenta la progettazione più compatta con completo supporto di tipologie di segnali AV. È possibile fornire supporto di segnali 3G‑SDI locali all'interno del frame della matrice modulare. Input e output locali per altre tipologie di segnale sono realizzati grazie ai trasmettitori e ricevitori compatti. I sistemi WDM richiedono uno spazio a rack notevolmente superiore per la matrice e supportano un numero inferiore di tipologie di segnale. Ad esempio, il sistema B della Figura 14 dovrebbe occupare uno spazio di 30 unità rack per poter fornire le stesse risorse di commutazione di FOX Matrix 14400. FOX Matrix occupa uno spazio a rack notevolmente inferiore, anche con l'aggiunta di pochi trasmettitori e ricevitori per gli input e output HDMI locali.
Riepilogo
TDM e WDM sono tecnologie comunemente implementate nei sistemi AV in fibra ottica che presentano vantaggi e criticità specifiche. La seguente tabella mette a confronto le due tecnologie:
| Confronto delle tecnologie TDM e WDM | ||
|---|---|---|
| TDM | WDM | |
| Fino a 2 km su fibra multimodale | In genere da 300 a 400 m | |
| Fino a 12 km su fibra OS2. |
||
| Segnalazione bidirezionale | ||
| Estensione di segnali DVI/HDMI | ||
| Estensione di segnali RGB | ||
| Estensione di segnali 3G-SDI | Richiede conversione | |
| Supporto HDCP | ||
| Estensione USB | ||
| Supporto di collegamento a cascata | con loop-through | In genere non supportato |
| Preferita per sistemi sicuri | ||
| Matrice a basso consumo | ||
| Matrice con densità I/O elevata | ||
| I/O HDMI/DVI locali | ||
| I/O RGB locali | con convertitori esterni | Conversione digitale/analogico |
| I/O 3G-SDI locali | ||
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