TTS Moduł 1

Przedmiot „Technika transmisji sygnałów” zapoznaje studiującego z rozmaitymi narzędziami służącymi do przesyłania informacji z miejsca do innego miejsca, bądź do wielu innych miejsc. Miejsca te oddalone są od siebie czasami o tysiące kilometrów, jak w przypadku łączy telekomunikacyjnych transoceanicznych, czy satelitarnych, niekiedy o kilka metrów, gdy przesyłamy stronę tekstu z komputera do drukarki, ale także o centymetry, gdy transmisja odbywa się między procesorami komputera. Z wielu rozmaitych umiejętności opanowanych przez Człowieka umiejętność przesyłania informacji należy bodajże do najważniejszych. Trudno wyobrazić sobie współczesny świat bez niej. Miejmy też na uwadze, że ogrom pracy włożonej przez Ludzkość w stworzenie opisywanych w tym przedmiocie narzędzi jest niewyobrażalnie wielki. A dzieło nie jest przecież skończone! Nie tylko informatycy powinni wiedzieć jak to się robi!

---

Kolejne tematy omawiane w tym module wprowadzą Czytelnika w złożony świat technik przesyłania informacji, świat znany mu dość dobrze, gdyż w nim żyjemy i korzystamy z jego narzędzi. Spojrzymy na szerokie widmo fal elektromagnetycznych podzielone na wiele pasm i omówimy kolejno sposoby ich wykorzystania. Przypomnimy sobie na czym polega problem cyfryzacji i co się pod nim kryje. W oparciu o najprostsze układy omówimy podstawowe struktury łączy, którymi przesyłamy informację. Uzmysłowimy sobie w jakim tempie rosną możliwości światowej sieci telekomunikacyjnej. Na końcu kilka zestawień pozwoli nam wyobrazić sobie mechanizmy rynku telekomunikacyjnego i jego ogromną siłę napędzającą rozwój nowych technologii.

---

W wieku XIX rozwinięto naukę o elektryczności i magnetyzmie. Kolejni uczeni krok po kroku tworzyli podstawy wiedzy o polu i falach elektromagnetycznych. Wielkim krokiem naprzód było opublikowanie przez J. C. Maxwella układu równań różniczkowych, które w prostym i uniwersalnym zapisie opisywały wzajemne związki między polami elektrycznym i magnetycznym, prądami i ładunkami elektrycznymi. Równania te stały się podstawą nauki o polu elektromagnetycznym, na której kolejne pokolenia tworzyły elektronikę i telekomunikację. W roku 1895 Guglielmo Marconi przeprowadził pierwszą transmisję radiową przesyłając informację z miejscowości Frascati niedaleko Rzymu do Watykanu. Era radiotechniki rozpoczęła się. Historia rozwoju tej gałęzi techniki pełna jest doniosłych i pięknych odkryć, błyskotliwych rozwiązań, milowych kroków. W czasie 100 lat kula ziemska została okablowana liniami z miedzi i kwarcu, naszpikowana setkami tysięcy rozmaitych anten, otoczona sieciami satelitów, a jej mieszkańcy wyposażyli się w miliardy rozmaitych odbiorników i nadajników. Obserwatorzy tego eksperymentu i sam jego autor nie przewidywali takiego rozwoju wydarzeń.

---

Na przestrzeni ostatnich 100 lat opanowano umiejętności wykorzystania do celów transmisji informacji wielu pasm częstotliwości, począwszy od fal długich, a skończywszy na falach submilimetrowych. Pierwsze transmisje radiowe wykorzystywało pasmo fal „długich”. Następnie opanowano pasmo fal „średnich” i „krótkich”. Pasma te wykorzystywane są nadal, choć do transmisji dźwięku dobrej jakości wykorzystywane jest pasmo fal ultrakrótkich. W miarę wzrostu ilości informacji koniecznym stało się opanowanie coraz to wyższych pasm częstotliwości, coraz krótszych fal. I tak telewizja kablowa wykorzystuje pasmo od 100 MHz do 1000 MHz, kolejne generacje telefonii komórkowej wykorzystują pasma fal centymetrowych, telewizja satelitarna wykorzystuje chętnie pasmo 3 cm, a wybrane systemy transmisji danych sięgają do pasm fal milimetrowych. Przeskok zainteresowań na drugi koniec pasma, do zakresu promieniowania optycznego, a dokładniej mówiąc do zakresu podczerwieni związany był z nadzwyczajnymi właściwościami światłowodu wykonanego ze szkła kwarcowego. Stwierdzono mianowicie, że cieniutką nitką wykonaną z kwarcu można transmitować sygnały optyczne w pewnych zakresach długości fal z nadzwyczajnie małym tłumieniem. Postęp technologiczny ostatnich dekad stworzył warunki ekspansji rynku telekomunikacyjnego w kierunkach: telekomunikacji ruchomej i komórkowej, telekomunikacji światłowodowej.

---

Sygnał elektryczny może mieć formę sygnału analogowego bądź sygnału cyfrowego. Typowe sygnały analogowe to głosu z mikrofonu, obrazu z kamery video. Natomiast sygnały transmisji danych między komputerami są sygnałami cyfrowymi. Informacje takie jak: głos, muzyka, obraz rejestrowane i zapisywane są jako sygnały elektryczne. Charakter tego sygnału każe je nazywać sygnałami analogowymi. Od początku staraliśmy się opanować technikę zapisu tych sygnałów, a następnie ich transmisji do wybranych miejsc. W tym właśnie celu powstały technologie wytwarzania płyt i taśm magnetofonowych z rejestrowanymi nagraniami utworów muzycznych. Całe systemy nadajników i odbiorników radiowych służyły i służą transmisji mowy i muzyki do radiosłuchaczy. Aby dokonać transmisji sygnałów analogowych wykorzystywany jest sygnał pomocniczy o wysokiej częstotliwości (fala nośna), na który nanosimy transmitowaną informację, w postaci tzw. modulacji amplitudy, albo częstotliwości. Tak transmitowane są audycje radiowe i telewizyjne, koncerty i mecze futbolowe. Sygnały transmisji danych między komputerami są sygnałami cyfrowymi. Sygnały cyfrowe przyjmują kilka z możliwych wartości, sygnały binarne - jedną z dwu wartości ”1” lub ”0”. Skonstruowane specjalne przetworniki A/D pozwalają zapisać sygnał analogowy jako strumień liczb binarnych. Na kolejnym rysunku możemy prześledzić ideę takiego procesu.

---

Sygnał analogowy możemy zamienić na cyfrowy przez próbkowanie go w określonym rytmie i kwantyzację wartości próbek. W procesie próbkowania należy pamiętać o kryterium Nyquist’a: jeśli sygnał analogowy zajmuje pasmo $\mathrm{\Delta }f$, to częstotliwość próbkowania $f_s$ powinna być na tyle duża, aby spełniony był warunek: Cyfryzacja transmisji oznacza, że każdy rodzaj informacji można przesłać w postaci cyfrowej, jako ciąg liczb. Spójrzmy, jak to wygląda w kilku typowych przypadkach. Transmisja rozmowy telefonicznej: sygnał analogowy zajmuje pasmo: 200...3400 Hz, częstotliwość próbkowania: 8 kHz, rozdzielczość kwantowania 8 bitów, co daje konieczność zapewnienia szybkości transmisji 64 kb/s; Odtwarzacz płyt audio-CD: sygnał analogowy zajmuje pasmo: 20...20 000 Hz, częstotliwość próbkowania: 44,10 kHz, rozdzielczość kwantowania 16 bitów, co wymaga zapewnienia szybkości transmisji 706 kb/s na kanał. Digital Audio Tape – DAT, sygnał analogowy zajmuje pasmo: 20...20 000 Hz, typowa częstotliwość próbkowania: 48 kHz. Systemy telewizji NTSC/PAL wymaga zapewnienia szybkości transmisji 3...5 Mb/s. System telewizji zgodny z CCIR 601, szybkość transmisji 5...10 Mb/s, cyfrowy strumień danych zawiera informacje kolejno o 3 kolorach: czerwonym, zielonym i niebieskim, 3 przetworniki A/D analizują każdy z kolorów zapisując intensywność barwy za pomocą 8 bitów. High Definition Television Format – HDTV, szybkość transmisji bez kompresji: 60 Mb/s, szybkość transmisji z kompresją: 20-40 Mb/s. Porównanie pasma zajętego przez transmisję sygnału analogowego z pasmem zajętym przez sygnał cyfrowy odwzorowujący przebieg analogowy wskazuje na znaczne powiększenie warunków szerokopasmowości. Dopiero transmisja łączami światłowodowymi pozwala na spełnienie wymogów szerokopasmowej transmisji. W konkluzji stwierdzamy, że wszystkie sygnały można ostatecznie zapisać w formacie cyfrowym. Transmisja cyfrowa staje się uniwersalnym sposobem na przesyłanie: dźwięku, obrazu i danych cyfrowych.

---

Powiększanie pojemności łączy telekomunikacyjnych jest naturalnym celem ich rozwoju w okresie ostatnich 150 lat. Pokazano to na rysunku. Początek tej drogi to telegraf, następnie telefonia przewodowa i transmisja radiowa. Następnie na pierwszym planie pojawiła się telekomunikacja optyczna, oparta o światłowody. Droga od telegrafu Morse’a do łącza światłowodowego z multipleksacją WDM była długa i bardzo kosztowna. Jednak największy postęp jest rezultatem ostatniego ćwierćwiecza. O atrakcyjności światłowodowej techniki transmisji sygnału, zadecydowała mała tłumienność toru światłowodowego. Zwrócono uwagę na światłowody kwarcowe, specyficzny rodzaj falowodu dielektrycznego, o znikomej średnicy, niewielkiej wadze i bardzo małym tłumieniu. Technologię i parametry światłowodu udoskonalano wielokrotnie i proces ten nie jest zakończony. Równolegle udoskonalano technikę wytwarzania i modulacji sygnałów optycznych, ich wzmacniania i detekcji. Wszystko razem spowodowało tak ogromny wzrost pojemności łączy optycznych. Pierwsze łącza optyczne konstruowane na przełomie lat 70. i 80. wykorzystywały światłowody wielomodowe, pracowały na fali 800 nm wykorzystując diody LED. Transmisja sygnału odbywała się z prędkością 45 Mb/s a odległość między kolejnymi stacjami regeneracji impulsów wynosiła 6 km. Tak więc światłowód wielomodowy, diody LED, lasery półprzewodnikowe Fabry-Perot i fotodiody lawinowe, wszystko w pasmie 800 nm to był początek transmisji optycznej. W drugim etapie opanowano pasmo 1300 nm, opracowano światłowody jednomodowe i lasery półprzewodnikowe typu DFB, o ulepszonych charakterystykach. Po 10 latach prędkość transmisji wzrosła do 2,5 Gb/s, a odległość między stacjami do 40 km. Iloczyn pojemności łącza przez odległość między stacjami regeneracji podwajał się co rok. Kolejny etap to opanowanie pasma 1550 nm, w którym tłumienie jest najmniejsze, opracowano technologię światłowodów jednomodowych z przesuniętą charakterystyką dyspersji, opracowano lasery DFB i fotodiody PIN. W tym czasie opracowano wzmacniacz optyczny ze światłowodem domieszkowanym erbem EDFA w pasmie 1550 nm. Ostatnia dekada to m.in. opracowanie układów scalonych optoelektronicznych i mikrofalowych na GaAs, opracowanie szerokopasmowych modulatorów zewnętrznych, opanowanie transmisji solitonów i opracowano technikę multipleksacji WDM

---

W Tabeli zestawiono parametry kilku wybranych łączy transoceanicznych instalowanych na przestrzeni ostatnich 40 lat. Od elektroniki opartej na lampach próżniowych, poprzez elektronikę półprzewodnikową do fotoniki obserwujemy nieustanny rozwój i postęp. Na przestrzeni ostatnich 40 lat dokonała się rewolucja, o skutkach dla naszej cywilizacji jeszcze nie do końca poznanych. Przewidywany rozwój techniki transmisji optycznej i pojemności łącz związany jest z poszerzaniem pojemności transmisji łącz kolejno 80 Gb/s i 160 Gb/s, opanowaniem technologii przyrządów ze studniami kwantowymi, opracowaniem nowych typów półprzewodnikowych modulatorów i wzmacniaczy optycznych. Rozwój technik transmisji informacji wykorzystujących pasma optyczne i światłowodu trwa nieustannie.

---

Do transmisji sygnałów pasma mikrofalowego wykorzystywane są – poza transmisją w wolnej przestrzeni - linie współosiowe (kable) i falowody prostokątne Przesłanie informacji drogą radiową odbywa się w układzie, którego schemat pokazano na rysunku. Podstawowe elementy systemu to nadajnik i odbiornik, wyposażone w anteny, między którymi sygnał przesyłany jest w wolnej przestrzeni (atmosfera Ziemi, przestrzeń między satelitami). Celem transmisji radiowej jest przesłanie informacji. Informacją może być muzyka, obraz, sygnał analogowy albo cyfrowy, a także wiele informacji przesyłanych równocześnie. Do przesyłania sygnału wykorzystywana jest fala nośna o częstotliwościach bardzo różnych, od fal radiowych długich do fal milimetrowych. Fala nośna zostaje zmodulowana informacją. Po odpowiednim wzmocnieniu zmodulowana nośna kierowana jest do anteny. Antena odbiornika odbiera niewielką część wypromieniowanej przez nadajnik mocy. Sygnał odebrany zostaje przed dalszą obróbką wzmocniony i poddany procesowi demodulacji, w którym nośna zostaje usunięta i informacja odzyskana. Współczesna telekomunikacja radiowa oparta jest na technologii tranzystorów, uniwersalnych elementów służących do generacji sygnałów, ich wzmacniania i modulacji. Technologia tranzystorów mikrofalowych jest wspaniale rozwinięta i ciągle udoskonalana. Pasma pracy dochodzą do 300 GHz (długość fali 1 mm). Z wielu powodów przekroczenie tej granicy jest bardzo trudne.

---

Światłowód jest cienką „nitką” kwarcową, o grubości włosa, o zdumiewających właściwościach. Sam kwarc, $Si{O}_2$ jest dobrze znanym związkiem chemicznym, powszechnie znanym w postaci piasku. Szkło kwarcowe natomiast jest wyjątkowo przezroczystym materiałem dla wybranych pasm podczerwieni. Pasmo transmisji światłowodem kwarcowym jest stosunkowo wąskie, odpowiadające długościom fali $1,2...1,6\mu m$. To natura i właściwości kwarcu je wyznaczyły, a technologia umożliwiła przygotowanie całej rodziny przyrządów: źródeł promieniowania i fotodetektorów, modulatorów i wzmacniaczy, umożliwiających transmisję informacji na odległości tysięcy kilometrów. Najpopularniejszym typem łącza optycznego jest łącze cyfrowe. Celem transmisji jest przesłanie - możliwie bezbłędnie - od nadajnika do odbiornika ciągu liczb. Natura sygnału cyfrowego jest złożona, zawiera on wielką liczbę informacji w rezultacie procesów zwielokrotniania i kodowania. Większość procesów multipleksacji, modulacji, kodowania, a także demultipleksacji i demodulacji realizują układy elektroniczne. Układy fotoniki realizują proces transmisji. Schemat ideowy cyfrowego łącza optycznego pokazano na rysunku. Laser półprzewodnikowy generuje sygnał optyczny o długości fali 1300nm, lub 1550 nm. Sygnał ten modulowany jest bezpośrednio i cyfrowo. Zwykle wykorzystuje się modulację amplitudy dwustanową (typu „on-off keying” - OOK). Po stronie odbiorczej zastosowana jest detekcja bezpośrednia, na fotdiodzie PIN. Na wyjściu łącza pojawia się ciąg zregenerowanych impulsów, odtwarzający wiernie kształt impulsów wejściowych. Szumy łącza mogą powodować, że istnieje prawdopodobieństwo potraktowania ”1” jako ”0” , a wzięcia ”0” za ”1”. Łącze optyczne wykorzystuje zarówno układy elektroniczne, jak i optyczne (fotonika). Ponieważ do generacji, wzmacniania i detekcji sygnałów z pasm podczerwieni nie można użyć tranzystorów, to koniecznym było wyprodukowanie nowych przyrządów fotonicznych, opartych o zupełnie nowe technologie.

---

W świecie elektroniki i telekomunikacji znane są dwa prawa, wynikłe z obserwacji zjawisk. Pierwsze z nich to wynik obserwacji poczynionej jeszcze w latach 50., gdy pojawiły się pierwsze obwody scalone, które miały po kilka, kilkanaście elementów. Wtedy pojawiła się publikacja, w której autor zauważył, że co 18 miesięcy liczba elementów (diod i tranzystorów) w układzie podwaja się. Od nazwiska autora powstało Prawo Moore’a. Upłynęło kilka dekad, a spostrzeżenie jest wciąż aktualne. Wnioski: Cokolwiek zrobisz wkrótce będzie do niczego, gdyż za rok,dwa nowa technologia zmusi cię do ponownej pracy nad wcześniej rozwiązanym zadaniem. Prawo Metcalfe’a związane jest z rynkiem telekomunikacyjnym. Moment jego opublikowania niejest autorowi bliżej znany. Wnioski: Wprowadzanie nowych usług telekomunikacyjnych napotyka na barierę. Gdy sieć użytkowników jest rzadka, usługa jest droga, cena zniechęca nowych użytkowników, użyteczność usługi jest niewielka, rozpowszechnienie usługi napotyka na barierę. Natomiast gdy sieć użytkowników jest gęsta, cena nie zniechęca, użyteczność sieci jest duża i bariera znika. Przykład negatywny: W roku 1972 – Bell System wprowadza w Bostonie Picturephone, połączenie telefonu z transmisją obracu. Cena usługi wyniosła , 100 $/miesiąc, klapa. Przykłady pozytywne: Początek lat 80-ych - eksplozja znanej od 20 lat techniki faxów, Początek lat 90-ych – eksplozja Internetu, wprowadzanie ISDN, sieci CATV wprowadzają interaktywną transmisję cyfrową.

---

Ceny usług telekomunikacyjnych systematycznie maleją w miarę postępów technologii. Decydującym czynnikiem jest wzrost liczby abonentów. Mimo wielokrotnego spadku ceny pojedynczej usługi globalna wartość usług rośnie w szybkim tempie. Rynek usług telekomunikacyjnych rozwija się w ogromnym tempie, stając się motorem rozwoju gospodarczego. Coraz większą część rynku usług telekomunikacyjnych stanowi transmisja danych. Walka o rynek jest motorem postępu w teleinformatyce.

---

Rynek usług telekomunikacyjnych rozrasta się. Daje się zaobserwować następujące tendencje: Głos i obraz przesyłane są drogą cyfrową, zapewnia to większą wierność transmisji, nastąpiła uniwersalizacja sposobu transmisji. Rosną usługi związane z transmisją danych, poza rozmowami transmitowane są obrazy, informacje między komputerami. Pokonywanie kolejnych barier technologicznych umożliwia lawinowy wzrost szybkości transmisji informacji łączami optycznymi. Ogromna pojemność łączy optycznych zapewnia im przewagę nad technikami wykorzystującymi tradycyjne pasma mikrofalowe. W krótkim czasie do mieszkań zostanie doprowadzony światłowód zapewniający interaktywne porozumiewanie się z otoczeniem.