Помехи линий DSL и методы их ослабления

3 Переходные помехи линий DSL

Основной причиной взаимных влияний в проводных линиях связи при передаче DSL сигнала являются паразитные электромагнитные и емкостные связи между близко расположенными цепями этих линий (подобного рода помехи обычно выявляют с помощью dsl тестеров).

Хотя линии абонентского доступа в местных телефонных сетях являются индивидуальными для каждого пользователя, местную абонентскую сеть из-за взаимных переходных влияний абонентских линий одного кабеля иногда называют средой с общей средой передачи Shared Media, подобной сети кабельного телевидения. Разумеется, такое название несколько преувеличенным, однако определённые основания для этого безусловно существуют.

Основным методом уменьшения этих влияний служит скрутка жил медной пары. Особенно жёсткие требования к этому параметру предъявляются в структурированных кабельных системах, работающих на очень высоких частотах: так, допускается отсутствие скрутки жил на расстояниях не более ½ дюйма от точки соединения двух отрезков кабеля.

Различают два вида переходных влияний – переходное влияние на ближний конец (рис.2а) и переходное влияние на дальний конец (рис. 2b).

Рис. 2 Типы переходных влияний в проводных линиях связи

В отечественной связи в качестве параметра оценки переходных влияний принята относительная величина, равная разности уровней измерительного сигнала на входе влияющей цепи и созданной этим сигналом переходной помехи в цепи, подверженной влиянию. Эту величину называют переходным затуханием соответственно на ближнем конце (Аo) и дальнем конце (A_l.).

В зарубежной связи в качестве параметра оценки переходных влияний также принята относительная величина. Она также равна разности уровней. Только при этом измерительный сигнал вычитается из уровня переходной помехи, созданной им в подверженной влиянию цепи. Причём эту величину обозначают как Near-End Crosstalk (NEXT) при влиянии на ближний конец и как Far End Crosstalk (FEXT) при влиянии на дальний конец.

Очевидно, что Аo = - NEXT и A_l = - FEXT.

Причём при измерении FEXT, в отличие от NEXT, передатчик влияющей пары и приёмник подверженной влиянию пары расположены в противоположных пунктах линии передачи. При прочих равных условиях величина FEXT существенно больше NEXT, поскольку в первом случае влияющий сигнал претерпевает затухание линии связи, а во втором влияющий сигнал непосредственно влияет на подверженную влиянию пару. Величина NEXT является определяющей при однокабельном режиме работы линии связи, когда сигналы противоположных направлений передачи передаются по парам одного кабеля, а величина FEXT – при двухкабельном режиме, когда сигналы противоположных направлений передачи передаются по парам двух кабелей.

Кроме параметров NEXT и FEXT в практике оценки структурированных кабельных систем широко используются два достаточно новых параметра – Attenuation to Crosstalk Ratio (ACR) и Equal Level Far End Crosstalk ELFEXT. Параметр ACR представляет собой отношение сигнал/шум SNR при переходном влиянии типа NEXT, а параметр ELFEXT – отношение SNR при переходном влиянии типа FEXT. Количественно он выражается в логарифмической мере как разность NEXT и затухания кабеля. Если, например, ACR равно 10 дБ, то это означает, что мощность помехи NEXT на входе приёмника будет в 10 раз меньше мощности полезного сигнала, т.е., отношение сигнал/шум будет равно 10.

В практике отечественной связи, кроме упомянутых параметров Аo и A_l, используется параметр защищённости на дальнем конце. A_з, эквивалентный параметру ELFEXT

Два нижеследующих рисунка наглядно поясняют параметр ACR.

Рис. 3 К пояснению параметра ACR

На рис. 3 показана система связи, работающая в однокабельном режиме, причём уровни сигналов на выходах передатчиков в точках А и В одинаковы и равны 0 дБ. Если обозначить затухание линии на частоте f через a _k, а - переходное затухание на ближнем конце на той же частоте через NEXT, то уровни сигнала и переходной помехи на входе приёмника А будут соответственно равны - a _k и - NEXT.

Тогда ACR (т.е., сигнал / помеха) = - a _k - NEXT_.

На рис. 4 представлены частотные характеристики затухания симметричной пары attenuation, переходной помехи NEXT и параметра ACR.

Рис 4 Амплитудно-частотные характеристики параметров затухания, NEXT и ACR

Частота, на которой величины затухания и NEXT одинаковы (в данном случае эта частота равна 100 МГц), определяет верхнюю границу рабочего диапазона частот allowable range frequency. На частотах выше граничной мощность помехи NEXT превышает мощность сигнала.

Параметр ELFEXT можно также пояснить с помощью рис… при одинаковых направлениях стрелок, когда линия связи работает в двухкабельном режиме.

При этом соответственно ELFEXT = - a _k - FEXT_.

Кроме указанных параметров ACR и FEXT, используются два дополнительных параметра – Power sum (PS) ACR и Power sum (PS) ELFEXT, которые позволяют оценить параметр SNR при влиянии на данную пару всех остальных пар кабеля.

В рамках рассматриваемой темы особенно ценной является любая информация, касающаяся практических исследований низкочастотных телефонных кабелей. Такая работа проводилась в Советском Союзе при подготовке соединительных линий городских телефонных сетей (ГТС) к внедрению первичной цифровой системы передачи ИКМ-30.

Некоторые её результаты, касающиеся переходных влияний в отечественных многопарных симметричных кабелях, приведены в [1], где показано, что переходные затухания, измеренные на любой частоте, представляют собой случайные величины, распределение которых для многопарного кабеля подчиняется усеченному логарифмически-нормальному закону..

Усеченный закон распределения имеет место вследствие отбраковки на заводе-изготовителе кабелей с заниженным значением переходного затухания. Типичное распределение значений Аo и A_з, измеренных на частоте 1024 кГц, приведено на рис. 5 и позволяет ориентировочно определить процентное содержание в кабеле пар, переходное затухание между которыми превышает заданное значение.

Рис. 5 Распределение значений Аo (1) и A_з (2) кабелей ГТС на частоте 1024 кГц для пар, расположенных в соседних пучках

Значение переходного затухания между двумя выбранными парами в значительной степени зависит от их взаимного положения в сердечнике кабеля. Переходное затухание между парами смежных пучков на 10 - 15 дБ ниже переходного затухания между парами несмежных пучков. Переходное затухание между соседними парами пучка) примерно на 8 – 10 дБ ниже переходного затухания между парами соседних пучков. Указанные разбросы значений переходного затухания объясняются разной взаимной конфигурацией пучков.

В табл. 1 приведены среднее значение Аo и его среднеквадратическое отклонение σ кабелей в зависимости от взаимного расположения витых пар.

Таблица 1 Зависимость параметра Аo от взаимного положения витых пар в кабеле

Из данных табл. 1 следует, что основной вклад в величину переходной помехи вносят переходные влияния между парами одного пучка.

Частотная характеристика Аo представляет собой случайную функцию, среднее значение которой падает со скоростью 4, 5 дБ/октава, а максимальное отклонение составляет +/- 20 дБ.

Частотная характеристика A_з представляет собой монотонно падающую функцию со скоростью 6дБ/октава для кабелей парной скрутки и 12 дБ/октава для кабелей четвёрочной скрутки.

Характер переходной помехи в подверженной влиянию паре зависит от числа влияющих пар. Помеха от одной влияющей системы имеет детерминированную амплитуду, а её воздействие близко к воздействию гармонической помехи. При малом числе влияющих пар (до 5) сложение вызванных ими переходных помех происходит по напряжению, т.е., при удвоении числа влияющих пар отношение сигнал/помеха снижается на 6 дБ. При числе влияющих пар 7 и более результирующая переходная помеха приобретает все черты классического гауссовского шума с нормальным распределением амплитуд (как кратко говорят, помеха «нормализуется»). Это означает, что компоненты переходной помехи созданной N влияющими парами, суммируются уже не по напряжению, а по мощности, т.е., P_Σ =ΣP?, где i =(1…N).

Возможность «нормализации» помех опирается на взаимную асинхронность сигналов влияющих пар.

Переходные помехи динамичны по природе и имеют тенденцию к росту по мере увеличения числа линий DSL в кабельном пучке. Поэтому нет смысла измерять шумы во время предварительной квалификации, т.к. нет гарантии того, что этот уровень переходных помех сохранится неизменным во времени. Более того, для уверенной оценки уровня помех линии DSL необходимы его периодические измерения в течение длительного времени. Естественно, что такой подход стоит дорого. Поэтому единственным экономически приемлемым методом такой оценки является опора на худший случай. Такой метод называют методом шумовой маски «noise mask” [Forum DSL DSL Anywhere – Issue 2 September 2004].

Под шумовой маской понимают разность между максимальными значениями перекрываемого затухания при отсутствии переходных помех при их максимальном значении. Эта маска является индивидуальной для каждой конкретной абонентской сети и зависит от типа используемого кабеля, типов используемых в кабельном пучке систем DSL и принятых критериев оценки качества.

На рис. 6.показаны зависимости скорости передачи линии ADSL от вносимого затухания для 3-х случаев. Правая из них (3) является результатом лабораторных испытаний, и соответствует отсутствию внешних помех, а две других характеризуют реальные сети Северной Америки (1) и Южной Америки (2). Две последние кривые практически параллельны, а их разница объясняется разными параметрами абонентских телефонных сетей и разными типовыми наборами DSL технологий в кабельном пучке указанных сетей. Разности кривых (3-1) и (3-2) по сути дела и определяют усреднённые маски шумов для сетей Северной и Южной Америки. Понятие маски шумов поясняет также рис.7.

Предположим, что худшему случаю переходных помех соответствует запас по параметру SNR, а следовательно, и по вносимому затуханию, равный 8 дБ. Это означает, что между кривой зависимости скорости линии DSL от вносимого затухания при отсутствии переходных помех (правая кривая на рис. 7.1) и такой же кривой при максимальной переходной помехе (левая кривая на том же рис. 7.1) должен быть.предусмотрен защитный интервал в 8 дБ. Пользуясь этими двумя кривыми, можно определить максимально ожидаемое уменьшение скорости линии DSL или необходимое снижение вносимого затухания с учётом полного заполнения кабельного пучка системами DSL. Например, чтобы линия DSL могла поддерживать скорость передачи 2 Мбит/c при максимальном уровне переходных помех, её затухание должно быть выбрано не более 43 дБ, т.е. уменьшено на 8 дБ по сравнению со случаем, когда эта линия является единственной линией DSL в этом кабельном пучке.

Рис. 6 Зависимости скорости передачи линий DSL от вносимого затухания линии для сетей Северной Америки и Южной Америки без учёта и с учётом переходных помех

Рис. 7 К пояснению понятия шумовой маски