Multiplexage de signaux dans les systèmes fibre optique
Multiplexage temporel
Le multiplexage temporel (TDM) combine plusieurs signaux numériques en un seul flux binaire numérique série. Un circuit spécialisé appelé sérialiseur met en forme des flux d'entrée parallèles dans les emplacements temporels de la sortie série. Dans un système sur fibre optique, le flux de bits série est transmis comme une seule longueur d'onde sur un câble fibre optique. À l'extrémité éloignée du canal, un désérialiseur reconstruit le signal parallèle d'origine à partir du flux binaire série, comme représenté dans la figure 1. Le débit de données série doit être suffisamment rapide pour garantir qu'aucune donnée ne soit perdue. Les émetteurs et récepteurs sur fibre optique pour les signaux audiovisuels haute résolution fonctionnent généralement à un débit de données de 4 à 6 Gb/s.
Le TDM est utilisé pour transmettre un large éventail de signaux, dont l'HDMI, le DVI, le 3G‑SDI, le RVB, la vidéo composante HD et SD, le S‑Video, le composite, l'USB, l'audio, et le contrôle RS‑232. Dans les systèmes audiovisuels sur fibre optique modernes, les signaux audio et vidéo analogiques sont convertis en signaux numériques, évitant les effets non linéaires qui affectent la conversion optique directe des signaux analogiques. La transmission numérique garantit que la vidéo haute résolution est transmise pixel à pixel sur le câble fibre optique.
L'émetteur de la figure 2 accepte les signaux vidéo HDMI/DVI, audio stéréo, et de contrôle RS‑232. Le multiplexeur combine les signaux en un flux série d'impulsions numériques. Un convertisseur électrique‑optique (E‑O) change les impulsions numériques en impulsions lumineuses à une longueur d'onde et les transmet le long de la fibre. Le récepteur à l'extrémité de la fibre convertit le signal optique en signal électrique avant la phase de désérialisation pour restaurer le signal d'origine.
Multiplexage en longueur d'onde
Le WDM correspond à la transmission d'au moins deux signaux optiques à différentes longueurs d'onde sur une seule fibre optique. La transmission de plusieurs longueurs d'onde sur une fibre est similaire à la circulation de plusieurs signaux radio dans l'air à des fréquences différentes. Chaque longueur d'onde peut transporter un signal distinct, indépendamment des autres longueurs d'onde. Les différentes longueurs d'onde peuvent par ailleurs se propager dans la même direction ou dans des directions opposées, permettant la communication bidirectionnelle optique sur une seule fibre, comme le montre la figure 3. Tant que les convertisseurs optiques disposent d'une bande passante suffisamment élevée, le WDM permettra de conserver le débit de données et le format de signal d'origine dans les domaines électriques et optiques.
Le multiplexage en longueur d'onde est adapté à toutes les applications où plusieurs signaux sont transmis sur une même fibre. Les signaux peuvent être complètement indépendants, comme les différents canaux d'une télévision câblée, les signaux bidirectionnels USB ou RS‑232, les composants d'un signal HDMI ou DVI multicanaux, ou toute autre combinaison de l'ensemble de ces signaux. Chaque signal est appliqué à une longueur d'onde différente pour une transmission indépendante avec le même câble fibre optique.
L'émetteur et le récepteur WDM de la figure 3 assurent la transmission d'un signal HDMI/DVI sur un câble fibre optique. L'émetteur dispose de cinq entrées et d'une sortie. Chaque entrée possède son propre convertisseur électrique‑optique avec une diode laser qui fonctionne à une seule longueur d'onde. Un appareil spécial, appelé multiplexeur/démultiplexeur WDM, combine les diverses longueurs d'onde pour une transmission sur un câble fibre optique.
Le multiplexeur/démultiplexeur WDM sépare également le signal optique utilisé pour les données de retour, qui fonctionne à une longueur d'onde différente de celle de toutes les entrées. Le signal optique pour les données de retour passe par un convertisseur optique‑électrique afin de récupérer le signal d'origine.
Le récepteur WDM représenté sur la figure 3 dispose d'une entrée et de cinq sorties. Le multiplexeur/démultiplexeur WDM du récepteur sépare les signaux optiques, les envoyant chacun à un convertisseur optique‑électrique différent.
Signalisation bidirectionnelle
Les signaux bidirectionnels comme les signaux USB, RS‑232, ou Ethernet sont présents dans un grand nombre d'applications audiovisuelles. Comme le montrait la figure 3, un système WDM transmet des signaux bidirectionnels sur une seule fibre avec une longueur d'onde unique pour les données de retour. Dans un système TDM, étant donné que la transmission sur une seule longueur d'onde est par nature unidirectionnelle, une signalisation bidirectionnelle est réalisée en utilisant une deuxième fibre, comme le montre la figure 4.
Distance de transmission des signaux audiovisuels
Dans un système WDM, la distance maximale de transmission est affectée par la perte optique, la bande passante de la fibre, et le skew entre les canaux. La perte optique équivaut à une atténuation dans la fibre, les connexions, et les épissures. Le budget de perte, défini par la puissance de sortie de l'émetteur et la sensibilité d'entrée du récepteur, est la quantité maximale de perte optique autorisée dans la liaison optique entre l'émetteur et le récepteur. La bande passante de la fibre optique est la fréquence maximale ou le débit de données qui peut être transmis sur une longueur donnée d'un câble fibre optique. Le skew est dû aux diverses longueurs d'onde qui se propagent à des vitesses variées sur la fibre comme le montre la figure 5. Le résultat est similaire au skew créé par les rapports de déformations variables dans un câble CAT, au sein d'un système paires torsadées.
La quantité de skew dans un système WDM dépend de la plage de longueurs d'onde utilisée dans le système. Dans des systèmes multimode utilisant des longueurs d'onde d'environ 850 nm, le skew peut représenter l'effet dominant, limitant la distance de transmission. À titre d'exemple, un système HDMI, disposant d'une horloge de pixels à 225 MHz, affiche une valeur maximale autorisée de skew entre canaux de 1,78 ns.
Un appareil fréquemment utilisé dans des extendeurs HDMI et DVI WDM multimode dispose d'une distance maximale indiquée d'environ 300 m (984') avant que le skew n'excède 1,78 ns. Le même appareil peut fonctionner jusqu'à 400 m (1 312') pour un signal HDMI ou DVI avec une horloge de pixels de 165 MHz pour permettre un skew maximal de 2,42 ns.
Un système TDM transmet le signal fibre optique à une seule longueur d'onde, de sorte que l'intégralité du signal se propage à la même vitesse. En présence d'un léger skew, la distance maximale de transmission est uniquement limitée par le budget de perte disponible et la bande passante du système. Un budget de perte bien géré et l'utilisation d'une fibre OM4 optimisée par laser avec une bande passante élevée permettent aux systèmes TDM multimode d'atteindre jusqu'à 2 km (6 561') de distance comme le montre la figure 6. Les systèmes TDM atteignent donc des distances de transmission beaucoup plus étendues que les systèmes WDM utilisés pour l'extension de signaux audiovisuels.
Les systèmes monomode utilisent des longueurs d'onde étendues d'environ 1310 nm ou 1550 nm. À ces longueurs d'onde, les systèmes WDM présentent un skew entre canaux inférieur, permettant d'atteindre des distances de transmission plus étendues. Un système monomode WDM standard pour des signaux HDMI/DVI transmet jusqu'à 12 km (7,5 miles), par rapport à 30 km (18,75 miles) pour un système monomode TDM. Cependant, certains systèmes WDM ne supportent pas la fibre OS1, qui est le type de fibre monomode installé le plus courant. Les systèmes WDM avec des longueurs d'onde d'environ 1390 nm subissent une atténuation élevée dans la fibre OS1, en raison du pic d'absorption d'eau (voir figure 7).
L'atténuation réduit lourdement la distance de transmission. Avec une longueur d'onde d'environ 1390 nm, l'atténuation de la fibre OS1 peut atteindre 4 dB/km voire plus, en raison du pic d'absorption d'eau. En supposant qu'il y ait un budget de perte de 10 à 13 dB, la distance maximale de transmission serait de 2 à 3 km uniquement à cette longueur d'onde. Afin d'atteindre une distance de transmission plus longue, ce type de multiplexage WDM nécessite une fibre monomode OS2 avec un pic d'absorption de l'eau faible. Il est également possible qu'un système TDM monomode utilise une longueur d'onde de 1310 nm ou de 1550 nm, avec une atténuation de la fibre OS1 généralement inférieure ou égale à 1 dB/km, pour qu'il fonctionne à sa pleine capacité de distance sur des types de fibres OS1 et OS2.
Connexion en cascade
Le montage en cascade permet de transmettre un signal à de multiples destinations, sans avoir recours à des équipements de routage, de distribution, ou à plusieurs émetteurs, comme le montre la figure 8. Un signal audiovisuel provenant d'un seul émetteur ou d'une seule sortie d'une grille de commutation est envoyé à un récepteur qui accepte le montage en cascade. Le récepteur dispose d'un signal de sortie sonde qui est envoyé au récepteur suivant de la chaîne. Cette configuration utilise une seule fibre qui provient de la sortie de l'émetteur ou de la grille et qui se connecte au premier récepteur de la chaîne. Une seule fibre connecte chaque récepteur consécutif de la chaîne et permet d'utiliser efficacement l'infrastructure fibre optique. Un montage en cascade est une configuration idéale pour les applications d'affichage dynamique.
Dans un système TDM, le deuxième fibre utilisée pour des communications bidirectionnelles est souvent disponible comme une boucle de sortie pour créer une configuration en cascade (figure 9). Dans la mesure où il existe un seul flux binaire, la retransmission du signal nécessite uniquement un convertisseur électrique‑optique. Il se peut aussi qu'un système WDM transmette plusieurs flux binaires, ce qui nécessite l'utilisation de plusieurs convertisseurs optiques et d'un multiplexeur/démultiplexeur WDM supplémentaire pour mettre en place une sortie en sonde. Un récepteur WDM comprend généralement une seule connexion fibre optique et ne peut être connecté dans une configuration en cascade.
Systèmes sécurisés
Un environnement sécurisé comprend un système traitant des données confidentielles. Il s'agit par exemple de salles de briefing des administrations publiques et des structures militaires, des centres des opérations d'urgence, et des salles de présentation ou d'élaboration de technologies propriétaires dans les entreprises. La plupart de ces systèmes doivent pouvoir accéder à l'information aussi bien des sources sécurisées que des sources publiques. Les sources sécurisées sont appelées signaux « rouges » tandis que les sources publiques sont appelées signaux « noirs ».
Les conditions détaillées pour les systèmes sécurisés sont souvent classées confidentielles et ne sont donc pas révélées au grand public bien que certaines directives générales leur soient disponibles. Les systèmes sécurisés avec des sources « noires » doivent s'assurer que les informations rouges ne « s'infiltrent » pas à travers la connexion à la source noire. Le système rouge doit être isolé électriquement du système noir. Dans un système en cuivre, les signaux rouges doivent être physiquement séparés des signaux noirs. Étant donné que les câbles fibre optique sont faits de verre, un système fibre optique est privilégié car il offre une isolation électrique quasiment parfaite entre les signaux noirs et rouges (voir figure 10).
Les systèmes sécurisés nécessitent des signaux unidirectionnels provenant des sources publiques. Transmettre un signal d'un système sécurisé « rouge » vers un système non sécurisé « noir » n'est pas autorisé. Pour cette raison, les systèmes fibre optique TDM sont privilégiés par rapport aux systèmes WDM. Les appareils fibre optique bidirectionnels qui font appel à des techniques WDM ne peuvent pas être utilisés pour connecter une source noire à un système rouge.
Commutation et distribution
Commutation et distribution actives dans les systèmes audiovisuels
Les systèmes de commutation utilisés dans des systèmes audiovisuels fibre optique emploient habituellement une technologie OEO (optique-électrique-optique). Le signal optique est converti en domaine électrique à l'entrée du routeur, sélecteur, ou distributeur amplificateur.
Il est ensuite traité dans le domaine électrique puis restauré comme signal optique de sortie. Les systèmes OEO restaurent un niveau de puissance de transmission intégral sur la sortie pour préserver le budget de perte optique. L'utilisation de la technologie OEO empêche l'apparition de pertes dans les systèmes OOO (tout optique) qui utilisent des séparateurs passifs pour distribuer des signaux optiques vers plusieurs destinations, ce qui est particulièrement important lors de la multidiffusion d'un signal audiovisuel vers plusieurs écrans.
Commutation et routage des signaux audiovisuels TDM sur fibre optique
Les systèmes de commutation TDM traitent un flux binaire série pour chaque signal pour produire une conception compacte et performante. Le système de distribution à une seule longueur d'onde/une seule fibre réalise une seule conversion électrique‑optique pour chaque entrée et une seule conversion optique‑électrique pour chaque sortie, comme le montre la figure 11. La commutation numérique haut débit assure des performances pixel à pixel pour les signaux vidéo haute résolution. La grille de commutation maintient par ailleurs le format série du signal pour simplifier la commutation et assurer une bonne synchronisation.
Lorsque le flux binaire numérique série est préservé, la commutation peut être indépendante du format vidéo sous‑jacent, comme le montre la figure 12. De cette façon, le système de distribution peut supporter un large éventail de signaux numériques, y compris l'HDMI/DVI, le 3G‑SDI, l'USB, le RS‑232, et d'autres signaux numériques. Les types de signaux sont définis par les terminaux (l'émetteur et le récepteur). Des signaux numériques, comme le 3G‑SDI, sont supportés dans leur format natif, permettant des entrées et des sorties locales.
Les signaux bidirectionnels sont facilement traités en utilisant deux fibres, une entrée et une sortie qui sont commutées conjointement. Cependant, des signaux multilignes tels que l'HDMI, le DVI, et le RVB nécessitent des émetteurs et des récepteurs externes pour fournir des entrées et sorties locales. La capacité de support de nombreux signaux simplifie la mise à niveau des sources et des écrans sans créer d'impact majeur sur le système de commutation et de routage.
La conception optimale d'une grille de commutation TDM fournit un grand nombre d'entrées et de sorties dans un format compact avec une consommation d'énergie modérée. La FOX Matrix 14400 Extron (figure 14) est une grille de commutation fibre optique non bloquante 144x144 dans une configuration 8U.
Commutation et routage des signaux audiovisuels WDM sur fibre optique
Une grille de commutation pour signaux WDM est plus large et plus complexe que celle utilisée pour un signal TDM, comme le montre la figure 13. Chaque entrée fibre optique inclut le circuit récepteur WDM complet pour convertir le signal optique en un format HDMI/DVI. Le principal système de commutation supporte le format multiligne d'un signal HDMI/DVI, qui nécessite plusieurs composants de commutation interne parallèles. Chaque sortie fibre optique inclut le circuit émetteur WDM complet pour reconvertir le signal HDMI/DVI en un signal optique. À cause des autres ressources de commutation et du circuit d'E/S, les grilles de commutation WDM sont larges, consomment plus d'énergie, et ont des besoins de refroidissement plus importants. Puisque le principal système de commutation supporte des signaux HDMI/DVI dans leur format natif, les entrées et sorties locales sont ajoutées facilement à la grille. Pour supporter d'autres types de signaux, tels que le 3G‑SDI, il faut que les convertisseurs externes modifient le signal d'origine en un signal DVI/HDMI. De manière générale, les grilles de commutation WDM ne supportent pas les signaux 3G‑SDI locaux.
Dimensions relatives des grilles de commutation TDM et WDM
Dans un système TDM, une grille de commutation numérique haut débit est performante, consommant généralement moins d'énergie qu'une grille de commutation WDM. Une grille de commutation TDM n'occupe que peu d'espace dans un rack. Exemple : le système A de la figure 14 est une grille de commutation 144x144 sur fibre optique FOX Matrix 14400 Extron qui occupe 8 unités de rack. Elle est compatible avec tous les émetteurs et récepteurs de la gamme FOX pour supporter des signaux HDMI conformes HDCP, DVI, 3G‑SDI, RVB, vidéo composante HD/SD, S‑Video, vidéo composite, USB, audio stéréo, et de contrôle RS‑232. Une carte d'E/S est aussi disponible pour fournir des signaux 3G‑SDI locaux.
Le système B de la figure 14 est une grille de commutation WDM 80x80 presque deux fois plus grande que celle du système A, avec 15 unités de rack, qui supporte des signaux DVI et HDMI conformes HDCP. Elle ne supporte pas les signaux 3G‑SDI, vidéo à définition standard, audio, USB, et de contrôle mais fournit des entrées et sorties HDMI et DVI locales. Le système C de la figure 14 est une grille de commutation WDM 144x144 qui occupe 16 unités de rack mais supporte uniquement des signaux DVI non conformes HDCP, DVI, VGA, vidéo composante HD, audio, et de contrôle RS‑232 unidirectionnels. Elle ne supporte pas les signaux 3G‑SDI, vidéo à définition standard, et RS‑232 bidirectionnels. En tant que grille de commutation WDM, elle supporte des entrées et sorties DVI ou VGA locales mais ne prend pas en charge l'HDMI non conforme HDCP. Le système TDM est la conception la plus dense avec un support complet des différents types de signaux audiovisuels. Un support des signaux 3G‑SDI peut être fourni dans le châssis modulaire. Des entrées et sorties locales pour d'autres types de signaux sont fournies avec les émetteurs et récepteurs compacts. Les systèmes WDM ont en revanche besoin de beaucoup plus d'espace en rack pour la grille de commutation et supporte un nombre réduit de types de signaux. Exemple : le système B de la figure 14 devrait occuper 30 unités de rack afin de fournir les mêmes ressources de commutation que la FOX Matrix 14400. La FOX Matrix occupe beaucoup moins d'espace, même lorsque quelques émetteurs et récepteurs sont ajoutés pour fournir des entrées et sorties HDMI.
Résumé
Les multiplexages TDM et WDM sont des technologies couramment mises en places dans des systèmes audiovisuels sur fibre optique. Ils présentent chacun des avantages et des enjeux spécifiques. Le tableau ci‑dessous compare les deux technologies et en expose les différences :
| Comparaison des technologies TDM et WDM | ||
|---|---|---|
| TDM | WDM | |
| Jusqu'à 2 km sur la fibre multimode | 300 m à 400 m, normal | |
| Jusqu'à 12 km sur la fibre OS2. |
||
| Signalisation bidirectionnelle | ||
| Extension de signaux HDMI/DVI | ||
| Extension de signaux RVB | ||
| Extension de signaux 3G-SDI | Conversion requise | |
| Support HDCP | ||
| Extension USB | ||
| Possibilité de montage en cascade | avec sortie en sonde | Généralement non supporté |
| Privilégié pour systèmes sécurisés | ||
| Grille de commutation à faible rendement | ||
| Grille de commutation à densité d'E/S élevée | ||
| E/S locales HDMI / DVI | ||
| Entrées/sorties locales RVB | avec convertisseurs externes | Conversion numérique-analogique |
| Entrées/sorties locales 3G-SDI | ||