|
Помехи линий DSL и методы их ослабления
Помехи от ТФОП
Замечательной особенностью DSL доступа является сохранение имеющегося у пользователя аналогового телефона или ISDN доступа. Чтобы обеспечить эту возможность, используется самый простой способ разнесения разнородных сигналов по частоте. Так, при ADSL доступе и аналоговом телефоне спектр сигнала ADSL начинается с 26 кГц, т.е., сдвинут относительно спектра телефонного сигнала, занимающего полосу частот (0, 3…3,4) кГц, более чем на 20 кГц. При этом необходимая защищённость между телефонным сигналом и сигналом DSL обеспечивается с помощью вилки фильтров – фильтра нижних частот Low pass filter и фильтра верхних частот High pass filter (для тестирования ADSL каналов обычно используют анализатор adsl), которая называется сплиттером
Каждый сплиттер (рис. 1) имеет три порта, к одному из которых (1) подключается АЛ, ко второму (2)- телефонное оборудование и, наконец, к третьему (3) - оборудование ADSL.
Рис. 12 Упрощенная структурная схема сплиттера
Конструктивно сплиттер представляет собой небольшой пластмассовый корпус с коротким шнуром, который вставляется в стандартную телефонную розетку и двумя короткими выходными шнурами - одним для модема DSL и другим для телефона.
Поскольку сплиттер подключается непосредственно к кабельной линии, то он содержит также элементы защиты от внешних индуцированных перенапряжений.
Самым простым и надёжным решением является включение сплиттеров как на узле DSL доступа, в качестве которого чаще всего выступает местная АТС, так и в помещении пользователя Customer Premises Equipment (CPE). Именно таким образом была выполнена первая модификация ADSL доступа, известная как G.992.1, или G.dmt.
Рис.13 Обобщённая структурная схема линий ADSL G.992.1 (G.dmt) и G.992.2 (G.Lite)
Проблема, однако, заключалась в том, что установка сплиттеров в помещении пользователя должна была выполняться техническим персоналом оператора связи. Такая операция, называемая Truckroll, стоит, например, в США около $200. Поэтому модификация G.992.1 оказалась под силу только пользователям малого и среднего бизнеса. В то же время для основной массы абонентов ТФОП, так называемых резидентных пользователей, нужно было более дешёвое решение DSL доступа для СРЕ.
Так появилась вторая модификация ADSL доступа, известная под названиями G.992.2, G.Lite и splitterless ADSL.
Как видно из последнего названия, решение проблемы Truckroll состояло в отказе от использования стандартного сплиттера в помещении пользователя. Это позволило возложить настройку линии DSL в помещении пользователя непосредственно на самого пользователя.
Однако не всё оказалось так просто. Дело в том, что при отсутствии стандартного сплиттера в помещении пользователя телефонный аппарат и модем ADSL пользователя оказываются подключёнными параллельно.
При спокойном состоянии Idle телефонного аппарата его рычажный переключатель РП находится в положении On hook. При этом со стороны телефона T абонентская линия будет нагружена на последовательную цепочку, содержащую дроссель вызывного звонка Зв и конденсатор С, который разделяет провода Л1 и Л2 абонентской линии (АЛ) по постоянному току Дроссель звонка вносит ав полосе частот DSL сопротивление порядка нескольких килом, и следовательно, практически не нагружает АЛ. Благодаря этому обеспечивается согласованное соединение модема DSL c АЛ, имеющих входные сопротивления, близкие к 120 Омам При снятии абонентом микротелефонной трубки рычажный переключатель РП переходит в положение Оff hook. При этом к АЛ подключается рабочая часть схемы телефонного аппарата, содержащая микрофон М и телефон Т, которая имеет очень низкое входное сопротивление в спектре частот канала DSL. При этом нагрузка входа модема G.Lite, резко уменьшается со 120 до 20 Ом, что нарушает нормальную работу линии DSL.
Рис. 14 Упрощенная схема телефонного аппарата
Разумеется, что столь резкое уменьшение входного сопротивления АЛ при переходе рычажного переключателя из положения On hook («микротелефонная трубка положена») в положение Off hook («микротелефонная трубка снята») будет нарушать нормальную работу линии ADSL. Для борьбы с этим явлением в модеме ADSL предусмотрен специальный механизм Fast Retrain, который обеспечивает возможность установки скорости передачи выше или ниже ранее установленной при резком изменении состояния линии. Параметры Fast Retrain определены рекомендацией G.992.2. Модемы линии ADSL определяют появившееся изменение параметров линии и инициируют процедуру, в процессе которой модемы ADSL выбирают подходящий профиль параметров из набора, хранящегося в памяти. Длительность процедуры Fast Retrain в зависимости от аппаратуры конкретного производителя составляет от 0,5 до 2,2 с. Если ни один из хранящихся в памяти профилей не подходит, то производится полная перенастройка линии в течение примерно 10 с. Первоначально процедура Fast Retrain предусматривалась только при событии снятия трубки; теперь эта процедура также инициируется при изменении режима питания с помощью системы управления мощностью.
Чтобы избежать частой работы механизма Fast Retrain, было предложено подключать абонентские телефонные аппараты через специальные микрофильтры, устанавливаемые в стандартные телефонные розетки. Эти микрофильтры, являющиеся фильтрами нижних частот, пропускают низкие частоты аналогового телефонного сигнала (или низкоскоростного сигнала данных, передаваемого в этой полосе частот) и вносят большое затухание в полосе частот сигнала ADSL. Они представляют собой миниатюрные устройства, размещённые в пластмассовом корпусе с одной розеткой и одним штепселем типа RJ-11.
Один или несколько микрофильтров, установленных в помещении пользователя, представляют собой по сути дела электрический эквивалент сплиттера, используемого при традиционной инсталляции линии ADSL. Однако микрофильтры могут быть установлены самим пользователем, и поэтому позволяют избежать упомянутой операции Truckroll.
Рис. 15 Влияние положения микротелефонной трубки на входное сопротивление АЛ в полосе частот канала ADSL
При указанном изменении положения РП изменяется не только модуль,, но и характер входного сопротивления телефонного аппарата. Например, в этот момент входное сопротивление телефонного аппарата может изменить свой характер от большой линейной индуктивности до нелинейного диода. Последнее обстоятельство является причиной появления взаимных помех между сигналами аналогового телефона и DSL
. При этом гармоники аналогового телефонного сигнала попадают в спектр сигнала DSL, а разностные комбинационные продукты взаимодействия множества узкополосных сигналов кода DMT - в спектр аналогового телефонного сигнала.
Испытания модемов ADSL и аналоговых телефонов на одной и той же абонентской проводке показали, что мощность возникающих помех имеет большой разброс и сильно зависит от типа используемого телефона. Некоторые микротелефонные трубки имеют сильно выраженную нелинейность, преобразующую речевые сигналы в помехи, которые попадают в канал ADSL. Могут проявляться и обратные эффекты, заключающиеся в том, что сигналы ADSL преобразуются в помехи, которые слышны в телефоне.
Однако, радость разработчиков, как это часто бывает, оказалась преждевременной., поскольку сами
сплиттеры стали источником влияния телефонного канала на канал DSL.
Это влияние проявляется при двух событиях – событии Ringing при подаче в абонентскую линию вызывного сигнала вызываемому абоненту и событии Ring Trip, когда абонент, получивший сигнал вызова снимает микротелефонную трубку.
Уместно заметить, что в качестве вызывных сигналов ТФОП используются частоты (20…25) Гц с напряжением (40…80) В.
Влияние события Ringing на линию DSL имеет место в основном там, где ещё используются старые генераторы вызова, которые не предназначены для работы с новыми цифровыми абонентскими линиями и могут создавать большие токи перегрузки, которые примерно на порядок превышают номинальный вызывной ток. Проходя через фильтр нижних частот Lpf сплиттера, этот ток насыщает дроссель L1 сплиттера, что приводит к резкому уменьшению индуктивности и сопротивления этого дросселя в диапазоне частот канала DSL. При этом ёмкость С1 Lpf оказывается подключённой параллельно АЛ и шунтирует вход фильтра верхних Hpf, а следовательно, и канал DSL. В результате затухание сигнала DSL резко уменьшается, что нарушает нормальную работу канала DSL. В первую очередь это проявляется в виде резко возросших ошибок данных и потери пакетов.
Рис. 16 Упрощенная принципиальная схема сплиттера
Представленная картина влияния события Ringing на параметры канала DSL является конечно же слишком грубой. Поэтому мы попытаемся уточнить её при анализе события Ring Trip.Начнём обсуждение Ring Trip с рассмотрения формы вызывного сигнала, принятого в Северной Америке. (рис. 17).
Рис. 17 Пример вызывного сигнала ТФОП
Типовой абонентский вызывной сигнал представляет собой амплитудно-манипулированный сигнал с периодом 6 секунд, который содержит активную часть в виде синусоиды частотой 20 кГц и длительностью 2 секунды и паузу длительностью 4 секунды. Эффективное значение вызывного сигнала составляет 90 В, а его максимальный размах +/- 127 В.
Услышав вызывной сигнал, абонент снимает микротелефонную трубку. При этом рычажный переключатель РП практически мгновенно переходит из состояния On hook в состояние Off hook. Фактически в этот момент через Lpf сплиттера дополнительно к вызывному току начинает протекать постоянный ток от станционной батареи минус 48 В. При этом приложенное к входу Lpf напряжение во время активной части вызывного сигнала, которая нас естественно и интересует, будет иметь вид, показанный на рис.7. Говоря ещё точнее, нас интересует очень малая область вблизи максимальной «отрицательной амплитуды», составляющей
(-127) + (-48) = - 175 В
Рис. 18 Переходное напряжение при событии Ring Trip
Надо, конечно, понимать, что относительное время пребывания сплиттера в состоянии насыщения, когда проявляются его нелинейные свойства и возрастают ошибки данных и потери пакетов, очень мало и намного порядков меньше области потенциальной нелинейности, показанной на рис.18. Но ведь и требования к коэффициентам ошибок данных и потери пакетов очень жёсткие и составляют 10-7 и ниже.
Эти искажения сигнала DSL неопасны при быстром доступе к Интернет, поскольку трафик данных имеет «пачечный» (burst) характер. Сигнал с таким трафиком, как известно, может быть восстановлен путём повторной передачи искажённого участка сигнала. Совсем иначе обстоит дело при передаче мультимедийного трафика, и в первую очередь сигналов видео. Этот трафик имеет практически плавный (streaming) характер и поэтому не может быть восстановлен в режиме «он – лайн».
При прочих равных условиях величина переходного тока в состоянии Ring Trip, который и может причиной указанных неприятностей, обратно пропорциональна сопротивлению АЛ, а следовательно, и её длине. Поэтому чем короче АЛ, тем больше вероятность проявления вредных последствий Ring Trip. В качестве такого ориентировочного порога в литературе указывается длина 9кфут (2,7 км) +/10%.
В настоящее время на АЛ такой и меньшей длины используется технология VDSL2, рассчитанная на предоставление мультимедийных услуг, и в первую очередь IPTV. Именно при передаче видео возможно проявление вредного влияния Ring Trip в виде макроблокирования, или пикселизации изображения.
Макроблокирование, как можно догадаться по его названию, вызывает появление квадратов на картинке, которое может маскировать большие участки изображения. Макроблокирование наиболее заметно в быстроменяющихся сюжетах.
В некоторых случаях потеря данных при событиях Ring Trip и Ringing может даже привести к ресинхронизации модемов линии DSL, которая может прервать передачу на целые 30 секунд.
Напомним, что при транспорте мультимедийных приложений в качестве основного метода борьбы с ошибками используется предкоррекция ошибок Forward error correction (FEC), в соответствии с которой приёмник способен обнаружить и откорректировать ошибки, без необходимости повторной передачи искажённых пакетов.
FEC физического уровня обеспечивается модемами VDSL2. Однако, FEC физического уровня может корректировать только одиночные ошибки и импульсные шумы, причём имеется практический предел может быть легко превышен импульсной помехой практически любой длительности. Как показали лабораторные испытания, сплиттеры первого поколения, полностью соответствующие требованиям стандарта ANSI T1.413, действительно значительно ухудшают качества видео. Более того, они могут даже вызывать нарушение синхронизации модема VDSL2 при событиях Ring Trip и Ringing. Дополнительная защита от ring – trip с помощью FEC верхних (канального, сетевого, транспортного и прикладного) уровней только добавляет сложности Set-Top Box (STB) и поддерживаемому приложению. Ещё более важно, что эти способы добавляют задержку сигнала. Маловероятно, чтобы для конечного пользователя была приемлема возникающая при этих способах величина задержки переключения между соседними станциями, равная 500 мс. Более того, способ борьбы с задержкой с помощью FEC верхних уровней имеет смысл использовать только при малом числе таких состояний.
Ещё один способ подавления вредного влияния Ring Trip и Ringing требует увеличение отношения сигнал/шум SNR на 8 дБ, что практически недостижимо.
Поэтому более практичным является применение высококачественных видео сплиттеров, основанных на поглощении энергии, выделяемой при событиях Ring Trip и Ringing.
В настоящее время для линий DSL разработаны новые сплиттеры, полностью исключающие возможность макроблокирования, возникающего при указанных событиях.
Такими сплиттерами, являются, например, сплиттеры серии PS-3x, предназначенные для применения на местных АТС (PS-6900), в CPE (PS-36) и в интерфейсном сетевом устройстве Network Interface Device (NID)- PS-32.
Заметим, что многие телефонные компании применяют NID в качестве устройства, обеспечивающего возможность автоматического разрыва абонентской линии и разделяющего таким образом области ответственности провайдера и пользователя, что позволяет существенно облегчить задачу локализации повреждений. Обычно NID представляет собой бокс небольших размеров, установленный вне помещения пользователя. Сравнительно недавно появился так называемый интеллектуальный NID, который монтируется вне дома, подобно электросчётчику. И, подобно последнему, переходит вместе с домом к новому собственнику – пользователю. После окончания первоначальной инсталляции любая следующая выполняется в NID вне дома и не требует присутствия пользователя при выполнении диагностики или дистанционном подключении услуги.
|
