Факторы, ограничивающие предельную дальность связи

Обмен данными между двумя вычислительными устройствами, работающими в составе информационной инфраструктуры ЦОД, в силу целого комплекса причин технического характера осуществляется исключительно в цифровой форме. Обеспечиваемое качество связи оценивается в количественной форме вероятностью битовой ошибки BER. Последняя величина при дополнительном соблюдении определенных ограничений, вызванных применением схемы параллельной передачи, непосредственно определяется такими фундаментальными факторами, как затухание в канале связи и вносимые им дисперсионные искажения.

Физические механизмы ограничений предельной дальности связи «по затуханию» и «по дисперсии» заметно отличаются друг от друга и заключаются в следующем.

При слишком большом затухании сигнал становится настолько слабым, что приемное устройство сетевого интерфейса не может уверенно выделить его на фоне шумов даже при сохранении идеальной или первоначальной формы импульса, что сопровождается появлением ошибок в канале связи. Ситуацию можно исправить довольно многочисленными способами. В их перечень входят увеличение мощности передатчика и уменьшение затухания в тракте передачи за счет обращения к более качественной элементной базе. Вполне имеет право на существование использование такой разновидности модуляции сигнала передатчика, которая более устойчива к помехам (например, фазовая модуляция вместо амплитудной), а также линейных кодов с исправлением ошибок. Все эти подходы заметно увеличивают сложность и в конечном счете стоимость решения. Поэтому они применяются только в том случае, если это оправдано экономически.

Дисперсионные искажения вызываются недостаточной шириной полосы канала связи и оказывают влияние исключительно на форму принимаемого сигнала. В качестве численной меры интенсивности этого процесса выступает соотношение

где fex, tBblx - длительности входного и выходного импульсов соответственно.

00

Дополнительно для определенности условно принимается, что J fx(t)dt = const, гц,е fx(t) -

-00

форма сигнала в точке х. Это позволяет исключить влияние потерь на получаемые результаты.

При чрезмерно большой дисперсии отдельные посылки цифрового сигнала «расплываются» настолько сильно, что частично оказываются в соседних тактовых интервалах, где немедленно становятся помехой. Корректная работа приемного устройства становится невозможной, даже несмотря на достаточно высокую среднюю мощность на его входе. Данный эффект хорошо известен как межсимвольная интерференция и в графической форме представлен на рис. 7.4г. В зарубежной технической литературе для ее обозначения достаточно часто привлекается аббревиатура ISI - от англ. Inter Symbol Interference.

Сигнал в многомодовой оптической линии связи и его линейные искажения

Рис. 7.4. Сигнал в многомодовой оптической линии связи и его линейные искажения: а) исходный сигнал; б) дисперсионные искажения; в) дисперсионный штраф; г) межсимвольная интерференция

Искажения формы импульса, вызываемые ограниченной шириной полосы пропускания линии, носят линейный характер, то есть их интенсивность пропорциональна протяженности линии. С учетом этой особенности их практическое определение удобно выполнять с привлечением удельного параметра. Его функции выполняет дисперсионный коэффициент т, или просто дисперсия, которая задается аналогично формуле 7.1 при фиксированной протяженности линии в 1 км.

Явление межсимвольной интерференции приводит к тому, что на приемное устройство в данный конкретный момент времени поступает суммарное воздействие нескольких передаваемых импульсов, находящихся в различных тактовых интервалах. Справедливости ради следует отметить, что значимое влияние вида «через тактовый интервал» приводит к настолько высокой вероятности ошибок, что рассматривается как недопустимая и, соответственно, должна быть исключена изначально. Поэтому в практически важных случаях анализ несколько упрощается, поскольку рассмотрению подлежат только соседние тактовые интервалы.

Приведенные качественные рассуждения показывают, что учет ограничений, вызываемых межсимвольной интерференцией, оказывается столь же важным, как и выполнение норм по затуханию. Пренебрежение этим эффектом сопровождается резким ухудшением качества передачи информации по каналу связи. Причина такого нежелательного явления носит комплексный характер. Во-первых, даже при достаточной мощности, то есть при малом влиянии шумов, дисперсионные искажения не позволяют уверенно отличить нуль от единицы. Это приводит к ошибкам на приеме и росту вероятности битовой ошибки BER. Во-вторых, высокий уровень межсимвольной интерференции оказывает негативное влияние на функционирование устройства выделения тактовой частоты и затрудняет поддержание синхронизма в канале связи.

В свете дальнейшего изложения важное значение приобретает то, что сильное негативное влияние на качество связи дисперсионных искажений вполне может проявиться даже в случаях слабого межинтервального взаимодействия, то есть тогда, когда значимая межсимвольная интерференция и, соответственно, вызываемая ею помеха отсутствуют. Несложный анализ с привлечением даже простейших моделей на основе соотношения формулы 7.1 показывает, что классическая межсимвольная интерференция всегда предваряется быстрым падением амплитуды влияющего сигнала. Решение о наличии в канале связи нуля или единицы обычно принимается приемником в середине тактового интервала, то есть там, где сигнал при наличии значимых дисперсионных искажений резко уменьшается даже при фиксированном затухании тракта передачи. Данная ситуация в графической форме изображена на рис. 7.4в.

В общем случае проектирование систем передачи информации вне зависимости от области их применения осуществляется с раздельным контролем выполнения норм по затуханию и дисперсионным искажениям. Однако линии связи ЦОД со скоростями 10 Гбит/с и выше принадлежат к той группе телекоммуникационных технических объектов, которые при проявлении классической межсимвольной интерференции становятся заведомо неработоспособными. Этот факт позволяет упростить расчет сведением малых дисперсионных искажений к дополнительному затуханию, который в профильной литературе обозначается как дисперсионный штраф по мощности (англ. Dispersion Power Penalty), или просто дисперсионный штраф. Параметр дисперсионного штрафа, по определению, численно равен дополнительным потерям, определяемым уменьшением амплитуды импульса линейного сигнала за счет дисперсии (рис. 7.4в).

На рис. 7.5 показано распределение отдельных составляющих потерь для оптической линии длиной в 300 м, собранной на стандартных компонентах категории ОМЗ в предположении канальной скорости в 10 Гбит/с. Из него следует, что потери, вызванные дисперсионными искажениями, заметно превышают суммарные потери в кабелях и разъемных соединителях. Отсюда немедленно вытекает, что увеличение дальности действия сверхскоростного канала оптической связи требует в первую очередь улучшения его частотных свойств.

Величины различных составляющих затухания, дБ, многомодовой оптической линии протяженностью в 300 м и скоростью передачи в 10 Гбит/с

Рис. 7.5. Величины различных составляющих затухания, дБ, многомодовой оптической линии протяженностью в 300 м и скоростью передачи в 10 Гбит/с

Все сказанное выше означает, что задача улучшения дисперсионных свойств многомодового волокна для лазерной передачи приобретает чрезвычайную актуальность на данном этапе развития техники. Ее эффективное решение позволит значимо увеличить допустимую протяженность линии с одновременным сохранением стоимостных преимуществ многомодовой элементной базы.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ ОРИГИНАЛ   След >