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Multiplexing del canale

Il multiplexing è una tecnica che combina più segnali in un unico segnale, adatto per la trasmissione su un canale di comunicazione come un cavo coassiale o una fibra ottica. Il multiplexing è talvolta definito come il muxing.

La tecnica di multiplexing divide il canale di comunicazione in diversi sub-canali logici. Ogni sub-canale logico è dedicato a un singolo segnale. 

Pertanto, i segnali multipli vengono inviati simultaneamente su un canale di comunicazione condiviso (medio). Il multiplexing è stato utilizzato per molti anni nella telefonia a lunga distanza.

Il multiplexing è principalmente classificato in due tipi:

- Multiplexing analogico
- Multiplexing digitale

Il multiplexing analogico è di nuovo classificato in due tipi:

                     - Multiplexing di divisione di frequenza (FDM)
                     - Wavelength Division Multiplexing (WDM)

Nel multiplexing digitale, il Multiplexing della divisione temporale (TDM) è la tecnica più popolare.La multiplazione a divisione di tempo è di nuovo classificata in due tipi:

                              - TDM sincrono
                              - TDM asincrono

 

Quando i segnali devono essere trasmessi abbiamo bisogno di un canale cioè di un mezzo di trasmissione che può essere fisico o logico.

- Un canale è detto canale logico se si realizzano più percorsi distinti sullo stesso filo (ad esempio un filo di rame).

- Un canale è detto canale fisico quando per ogni segnale si utilizza un filo diverso.

Come già detto, esistono diverse tecniche per effettuare il multiplexing del segnale:
- TDM (Time Division Multiplexing)

- FDM (Frequency Division Multiplexing)

- WDM ( Wavelenght Division Multiplexing) 

Vediamoli adesso singolarmente.

TDM (Time Division Multiplexing)

In telecomunicazione la TDM è la time division Multiplexing , cioè la multiplazione a divisione di tempo ed è una tecnica di condivisione in un unico canale logico di comunicazione secondo la quale un ricetrasmettitore RX ottiene a turno, cioè per un determinato tempo, l'uso esclusivo del canale, ( o delle risorse ad esso dedicate cioè ad esempio l'intera banda) per un breve tempo, ad esempio 125 us (125 micro secondi ) nello standard EO. 

Il tempo di utilizzo del canale è organizzato in frame tutti della stessa durata. Ciascuno di questi frame è ulteriormente suddiviso - sempre in modo equanime - in slot.

Di trama in trama, la sequenza di accessi degli utenti si ripete sempre uguale a sé stessa. All'interno di una singola trama è poi possibile sagomare il livello di servizio (cioè il bitrate) offerto a ciascun utilizzatore assegnandogli anche più di uno slot.

Questa tecnica permette di far uso di un solo canale fisico di elevata capacità per simulare abbastanza flessibilmente più canali virtuali o logici di capacità inferiore.

Il dispositivo di multiplexing (MUX) è dotato di un buffer, in cui prepara il frame prima di inviarlo. Qualora non tutte le linee di input avessero dati da trasmettere, il MUX può comunque trasmettere il frame con bit riempitivi (padding) o riempirlo, assegnando più slot a uno stesso mittente. Il dispositivo di demultiplexing (DEMUX) mette su ciascuna linea di output lo slot relativo al destinatario corrispondente.

FDM (Frequency Division Multiplexing)

Questa tecnica prevede di suddividere il canale in sottocanali, uno per ciascun mittente. In pratica ogni sottocanale lavora a frequenze diverse dagli altri evitando interferenze reciproche,

APPLICAZIONI:

Questa tecnica è utilizzata comunemente nelle trasmissioni televisive, radiofoniche, telefoniche, o dati. 

Nei conduttori semplici usati per le linee telefoniche, col sistema di multiplazione a divisione di frequenza, si riescono a inoltrare nello stesso tempo più di una dozzina di conversazioni telefoniche, nei cavi coassiali invece, sempre tramite multiplazione a divisione di frequenza, se ne possono trasmettere più di mille.

Nelle trasmissioni via etere ogni emittente trasmette contemporaneamente attraverso lo stesso mezzo; in questo caso, il canale di comunicazione è condiviso (ma questo non cambia se viene utilizzato un cavo). Ad ogni canale è associata una determinata frequenza. Il ricevente per selezionare la trasmissione deve solamente sintonizzarsi sulla frequenza appropriata tramite apposito circuito di sintonia.

Anche le reti cellulari utilizzano in parte questo tipo di multiplazione per suddividere ed assegnare l'intera capacità trasmissiva o banda radio disponibile alle varie celle di copertura servite da stazioni radio base.

VANTAGGI E SVANTAGGI DELLA FDM (Frequency Division Multiplexing):

Vantaggi della FDM:

1. Trasmette più segnali contemporaneamente.

2. Nella multiplazione a divisione di frequenza, il processo di demodulazione è semplice.

3. Non ha bisogno di sincronizzazione tra trasmettitore e ricevitore.

Svantaggi di Frequency Division Multiplexing (FDM)

- Ha bisogno di un canale di comunicazione a larga banda.

Applicazioni di Frequency Division Multiplexing (FDM)

1. Il multiplexing a divisione di frequenza viene utilizzato per le trasmissioni radio FM e AM.

2. È utilizzato nel telefono cellulare di prima generazione.

3. È utilizzato nelle trasmissioni televisive.

WDM (Wavelenght Division Multiplexing)

In telecomunicazioni WDM è la sigla di Wavelenght Division Multiplexing, un sistema di multiplazione utilizzato nei sistemi di comunicazione ottica.

La multiplazione a divisione di lunghezze d'onda è una tecnica analogica

È il metodo più importante e più popolare per aumentare la capacità di una fibra ottica. Sappiamo che lunghezza d'onda e frequenza sono inversamente proporzionali l'una all'altra (per esempio lunghezza d'onda più lunga significa bassa frequenza e lunghezza d'onda più corta significa alta frequenza). Pertanto, il principio di funzionamento del multiplexing a divisione di lunghezza d'onda è simile al multiplexing a divisione di frequenza. L'unica differenza è che i segnali ottici di multiplexing a divisione di lunghezza d'onda vengono usati al posto dei segnali elettrici. 

In multiplexing a divisione di lunghezza d'onda, i segnali ottici vengono trasmessi attraverso cavi in ​​fibra ottica.

Il multiplexing a lunghezza d'onda è una tecnologia in cui più segnali ottici (luce laser) di diverse lunghezze d'onda o colori sono combinati in un unico segnale e vengono trasmessi attraverso il canale di comunicazione. Quindi più segnali vengono trasmessi simultaneamente su un singolo canale di comunicazione.

La multiplazione a divisione di lunghezza d'onda è una tecnologia che aumenta la larghezza di banda di un canale di comunicazione (fibra ottica) consentendo simultaneamente molteplici segnali ottici attraverso di essa.

In telecomunicazioni WDM è la sigla di Wavelength Division Multiplexing, un tipo di multiplazione utilizzato nei sistemi dicomunicazione ottica.

Di fatto trattasi di una multiplazione classica di tipo FDM dove in ottica si preferisce lavorare riferendosi alle lunghezze d'onda anziché alle usuali frequenze dell'onda elettromagnetica portante l'informazione.

Per modulare diversi canali su una stessa fibra ottica si usano diverse portanti di differenti lunghezze d'onda, una per ogni canale, e per la singola portante si usa la modulazione di intensità o ampiezza. In questo modo è possibile sfruttare la grande banda ottica disponibile della fibra. Ciascun canale è poi a sua volta multiplato in TDM.

In gergo le lunghezze d'onda vengono anche chiamate "colori" e la trasmissione WDM viene detta "colorata", anche se in realtà le lunghezze d'onda usate non sono nel campo del visibile.

Uno dei maggiori problemi che si riscontrano nell'utilizzo dei sistemi WDM è la Cross Phase Modulation, un effetto non lineare dovuto all'effetto Kerr. L'effetto Kerr provoca infatti l'assorbimento contemporaneo di due fotoni da parte del materiale. Questo assorbimento porta ad un aumento dell'energia degli elettroni del materiale, che in seguito ritornano allo stato iniziale, emettendo un'altra coppia di fotoni. L'energia di questi due fotoni riemessi può essere diversa da quella dei due fotoni assorbiti (la somma sarà ovviamente uguale), e quindi sarà diversa anche la lunghezza d'onda. In questo modo i fotoni riemessi vanno ad inserirsi in un altro canale, ad un'altra lunghezza d'onda, creando rumore ottico sul canale stesso. 
Ad oggi questo è il problema maggiore che limita lo sviluppo della tecnologia WDM.

SISTEMI WDM

Un sistema WDM usa un multiplexer in trasmissione per inviare più segnali insieme, e un demultiplexer in ricezione per separarli. Usando il giusto tipo di fibra ottica è possibile avere un dispositivo che compie entrambe le azioni simultaneamente e può funzionare come un Add-Drop Multiplexer ottico. I dispositivi di filtraggio ottico usati nei modulatori-demodulatori sono di solito degli Interferometri di Fabry-Pérot a stato solido e singola frequenza, nella forma di vetro ottico ricoperto da film sottile.

L'idea di base dei sistemi WDM fu pubblicata per la prima volta nel 1970 e nel 1978 essi cominciarono a essere realizzati in laboratorio. I primi sistemi WDM combinavano solo due segnali. I sistemi moderni possono gestire fino a 160 segnali e possono quindi moltiplicare la banda di una fibra a 10 Gbit/s fino a un limite teorico di oltre 1.6 Tbit/s su una singola coppia di fibre.

I sistemi WDM sono apprezzati dalle società telefoniche perché consentono di aumentare la banda disponibile in una rete senza dover stendere altra fibra ottica. Usando il WDM e gli amplificatori ottici, è possibile aggiornare progressivamente la tecnologia degli apparati di rete senza essere costretti a rifare totalmente la rete backbone. La capacità di banda di un certo collegamento può essere aumentata semplicemente aggiornando i multiplatori e demultiplatori a ciascun capo del collegamento.

La maggior parte di sistemi WDM operano con fibre monomodali, con un diametro del nucleo di 9 µm. Alcuni tipi di WDM possono essere usati anche con fibre multi-modali che hanno diametro del nucleo di 50 o 62,5 µm.

I primi sistemi WDM erano costosi e complicati da far funzionare. Tuttavia la successiva standardizzazione e una migliore compressione della dinamica dei sistemi WDM hanno abbassato molto i costi.

VANTAGGI della WDM:

Il vantaggio principale del sistema WDM è che è sufficiente aggiornare il multiplexer e il demultiplexer a ciascuna estremità; non è necessario acquistare più fibre che sono più costose.

La multiplazione a divisione di lunghezza d'onda consente la comunicazione bidirezionale e la moltiplicazione della capacità del segnale ottico.