Содержание к диссертации
Введение
1. Анализ технологий, применяемых в сетях доступа 17
1.1. Эволюция сетей доступа 17
1.2. Технологии, применяемые в сетях доступа 22
1.3. Технологии xDSL 26
1.3.1. Классификации технологий xDSL 26
1.3.2. Особенности технологий xDSL 29
1.3.3. Параметры аппаратуры ЦСП-АД на основе симметричных технологий xDSL 31
1.3.4. Параметры аппаратуры ЦСП-АД на основе асимметричных технологий xDSL 35
1.4. Факторы, ограничивающие использование ЦСП-АД 38
1.5. Взаимные влияния между ЦСП и способы снижения взаимных влияний в линиях с ЦСП-АД 40
1.6. Выводы 45
2. Теория взаимных влияний для линий с двухпроводными однополосными цифровыми системами передачи абонентского доступа 47
2.1. Характеристики переходных влияний для линий с ЦСП-АД 47
2.1.1. Классификация характеристик переходных влияний 47
2.1.2. Характеристики переходных помех на ближнем конце 48
2.1.3. Характеристики переходных помех на дальнем конце 49
2.2. Схемы переходных влияний между линиями с ЦСП-АД 50
2.3. Разработка аналитических моделей переходных влияний между линиями с ЦСП-АД 54
2.4. Разработка аналитических моделей элементарных кабельных участков городского телефонного кабеля 57
2.4.1. Требования к модели ЭКУ 57
2.4.2. Разработка модели ЭКУ с аппроксимацией коэффициента передачи.. 58
2.4.3. Разработка модели ЭКУ с аппроксимацией коэффициента передачи и волнового сопротивления 67
2.5. Исследование аналитических моделей переходных влияний на ближний конец и дальний конец 69
2.6. Выводы 72
3. Разработка компенсационного метода снижения взаимных влияний в линиях с ЦСП-АД 75
3.1. Обоснование компенсационного метода снижения взаимных влияний в линиях с ЦСП-АД 75
3.2. Требования к параметрам качества функционирования цифрового компенсатора переходных помех 78
3.3. Оценка влияния ЦКПП на скорость передачи и длину линии 82
3.4. Оценка значений системных параметров цифрового компенсатора переходных помех 83
3.5. Выбор методов реализации цифрового компенсатора переходных помех 86
3.6. Разработка структурной схемы цифрового компенсатора переходных помех 88
3.7. Разработка функциональных схем элементов цифрового компенсатора переходных помех 90
3.7.1. Устройство ответвления сигнала одного направления 90
3.7.2. Устройство сложения сигналов 93
3.7.3. Формирователь копии колебания переходной помехи 93
3.8. Особенности формирования сигнала компенсации переходной помехи на дальнем конце 94
3.9. Выводы 97
4. Экспериментальные исследования 100
4.1. Экспериментальные исследования моделей ЭКУ 100
4.1.1. Экспериментальные исследования аналитических моделей ЭКУ в виде
Т-образного перекрытого четырехполюсника и линии задержки 100
4.1.2. Экспериментальные исследования аналитической модели ЭКУ в виде лестничной схемы 101
4.1.3. Экспериментальные исследования физической модели ЭКУ в виде лестничной схемы 104
4.2. Экспериментальные исследования аналитических моделей переходных влияний на ближний конец и дальний конец 110
4.3. Измерения характеристик переходных влияний 112
4.3.1. Измерения характеристик переходных влияний на ближний конец на линиях городского телефонного кабеля ОАО «МГТС» 112
4.3.2. Измерения частотных характеристик переходных влияний на ближний конец на линиях городского телефонного кабеля ООО «Связьконтактинформ» 114
4.4. Разработка и исследование имитационной модели функционирования цифрового компенсатора переходных помех 115
4.4.1. Формулировка требований к имитационной модели 115
4.4.2. Разработка структуры имитационной модели 115
4.4.3. Разработка алгоритма программы имитационной модели 117
4.4.4. Разработка программы имитационной модели 118
4.5. Выводы 121
Заключение 123
Список используемой литературы
- Особенности технологий xDSL
- Характеристики переходных помех на дальнем конце
- Требования к параметрам качества функционирования цифрового компенсатора переходных помех
- Экспериментальные исследования аналитических моделей переходных влияний на ближний конец и дальний конец
Введение к работе
Актуальность темы. Современный этап развития нашей страны характеризуется переходом от индустриального к информационному обществу. Возникают новые формы социальной и экономической деятельности, базирующиеся на массовом использовании информационных и телекоммуникационных технологий.
Технологическая основа информационного общества - Глобальная информационная инфраструктура (ГИИ) - должна обеспечить возможность доступа к информационным ресурсам для каждого жителя России. Доступ к информационным ресурсам в ГИИ реализуется посредством услуг связи нового типа, получивших название услуг информационного общества или инфоком-муникационных услуг [1].
Во многих странах мира в период 2005-2006 г.г. развитие услуг высокоскоростного доступа объявлено стратегической задачей
Федеральной целевой программой (ФЦП) «Электронная Россия 2002-2010», поставлены задачи: содействовать развитию публичной инфраструктуры доступа для предприятий, организаций и граждан к телекоммуникационным сетям, к общедоступным электронным библиотекам, базам данных и библиотекам научно-технической информации, а также существенно повысить качество предоставляемых услуг в этой области [2].
Сети доступа строятся на основе разнообразных технологий передачи, каждая из которых имеет свои достоинства и недостатки.
По данным агентства Point Topic Ltd. число кабельных линий передачи, оборудованных аппаратурой цифровых систем передачи абонентского доступа (ЦСП-АД), построенной по технологиям xDSL (Digital Subscriber Line - цифровая абонентская линия), в мире в третьем квартале 2005 года достигло 125,463 млн., что составляет 65,9% от общего числа линий, обеспечивающих провод-ный высокоскоростной доступ [3]. Таким образом, по отношению к иным технологиям предоставления проводного высокоскоростного доступа технологии xDSL в мире являются наиболее распространенными.
Ограничение применения ЦСП-АД на основе технологий xDSL вызвано в ряде случаев несоответствием городских телефонных кабелей нормам, но в основном - факторами, связанными с взаимными влияниями между ЦСП-АД, работающими по парам, находящимся в одном кабеле.
Несмотря на то, что в настоящее время имеется ряд спецификаций и стандартов, в основном зарубежных, и разрабатываются новые типы городских телефонных кабелей, данная проблема до конца не решена.
Известные методы снижения взаимных влияний в городском телефонном кабеле: отбор пар, статическое и динамическое управление спектром - не позволяют повысить пропускную способность линий городского телефонного кабеля при установке аппаратуры ЦСП-АД на произвольном числе пар проложенного кабеля.
Таким образом, разработка метода снижения взаимных влияний в линиях с ЦСП-АД является актуальной.
Научная новизна диссертационной работы заключается в следующем: показана применимость метода компенсации взаимных влияний в линиях с двусторонними, двухпроводными ЦСП-АД, обеспечивающего повышение пропускной способности городского телефонного кабеля, на базе разработанных схем переходных влияний между линиями с ЦСП-АД; разработаны аналитические модели переходных влияний на ближний конец (БК) и дальний конец (ДК) в городском телефонном кабеле с ЦСП-АД, для чего разработаны методика синтеза модели элементарного кабельного участка (ЭКУ) в виде Т-образного перекрытого четырехполюсника, каскадно-соединенного с линией задержки, с аппроксимацией коэффициента передачи в заданном диапазоне частот и программно-ориентированная методика оптимального синтеза модели ЭКУ в виде лестничной схемы с аппроксимацией коэффициента передачи и волнового сопротивления в заданном диапазоне частот; впервые получены результаты измерений импульсных характеристик (ИХ) переходных влияний между парами городского телефонного кабеля, произведена оценка длительности и формы ИХ; сформулированы технические требования к цифровому компенсатору переходных помех (ЦКПП), обеспечивающему возможность повышения количества пар городского телефонного кабеля, оборудованных ЦСП-АД; предложена структурная схема ЦКПП и разработаны функциональные схемы элементов ЦКПП; разработана имитационная модель ЦКПП и выполнено исследование взаимосвязи основных системных параметров ЦКПП с качеством его функционирования.
Объектами исследования являются частотные и временные характеристики линий городского телефонного кабеля, частотные и временные характеристики переходных влияний на БК и ДК, параметры аппаратуры ЦСП-АД, разработанный в данной диссертации ЦКПП..
Методы исследования. В основу проводимых исследований положены методы теории систем автоматического управления, теории функций комплексной переменной, теории цифровой обработки сигналов, а также методы аналитического, имитационного и физического моделирования.
Цель работы и задачи исследования. Целью диссертационной работы является разработка и исследование компенсационного метода снижения взаимных влияний в линиях с ЦСП-АД, обеспечивающего повышение пропускной способности городского телефонного кабеля.
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи: разработка схем переходных влияний между линиями, оборудованными двусторонними, двухпроводными ЦСП-АД; разработка частотных и временных аналитических моделей переходных влияний на БК и ДК в городском телефонном кабеле; разработка аналитических моделей ЭКУ для различных типов городского телефонного кабеля; разработка физических моделей ЭКУ городского телефонного кабеля; планирование, проведение и обработка результатов измерений временных характеристик переходных влияний в городском телефонном кабеле; анализ методов компенсации помех и выбор метода для реализации ЦКПП, разработка структурной схемы ЦКПП и функциональных схем элементов ЦКПП; оценка требований к точности действия ЦКПП и расчет его параметров; разработка и исследование имитационной модели функционирования ЦКПП.
Достоверность полученных теоретических и практических результатов. Разработанные аналитические модели переходных влияний верифицированы в ходе измерений на реальных линиях. Принципы функционирования ЦКПП подтверждены методом имитационного моделирования.
Основные положения, выносимые на защиту. в целях преодоления естественных ограничений пропускной способности линий городского телефонного кабеля из-за взаимных влияний актуальной является разработка метода, обеспечивающего возможность установки аппаратуры ЦСП-АД на произвольных парах проложенного кабеля; схемы переходных влияний между линиями с ЦСП-АД, отражающие механизмы образования помех от взаимных влияний цифровых систем передачи абонентского доступа, работающих по двусторонней, двухпроводной системе передачи; аналитические модели переходных влияний на БК и ДК, позволяющие исследовать параметры переходных влияний между парами городского телефонного кабеля; методика синтеза модели ЭКУ в виде Т-образного перекрытого четырехполюсника, каскадно-соединенного с линией задержки, с аппроксимацией коэффициента передачи в заданном диапазоне частот; программно-ориентированная методика оптимального синтеза модели ЭКУ в виде лестничной схемы с аппроксимацией коэффициента передачи и волнового сопротивления в заданном диапазоне частот; результаты измерений ИХ переходных влияний между парами городского телефонного кабеля; технические требования к разработанному ЦКПП, структурная схема и функциональные схемы элементов ЦКПП; результаты разработки и исследований имитационной модели функционирования ЦКПП, обеспечивающего повышение пропускной способности городского телефонного кабеля за счёт снижения переходных помех между парами.
Практическая ценность диссертационной работы: пропускная способность городского телефонного кабеля при установке ЦСП-АД может быть повышена путем компенсации переходных помех на БК и ДК; исследование зависимости характеристик переходных влияний от структуры и параметров конкретных линий городского телефонного кабеля может осуществляться на основе разработанных аналитических моделей переходных влияний; идентификация сосредоточенных связей в линиях может быть проведена на основе разработанных аналитических моделей переходных влияний в городском телефонном кабеле; при стендовых испытаниях аппаратуры ЦСП-АД может быть использована разработанная физическая модель ЭКУ, имитирующая участок кабеля ТПП-0,4; при решении задач реализации ЦКПП может быть использована разработанная имитационная модель функционирования ЦКПП.
Список опубликованных работ по теме диссертации:
Костерова Л.Н. Разработка эквивалента абонентской кабельной линии. Труды LV научной сессии РНТОРЭС имени А.С. Попова, посвященной Дню Радио. - М., 2000. - с. 134.
Костерова Л.Н. Организация рабочего места для сертификации функциональных характеристик аппаратуры цифровых систем передачи абонентского доступа. // Метрология и измерительная техника в связи. - 2001, № 4. - с. 29-32.
Костерова Л.Н., Крейнделин В.Б. Основы построения систем передачи информации. Учебное пособие. - М.: МТУСИ, 2002. - 28 с.
Костерова Л.Н., Власов А.В. Электрические параметры и методика сертифицированных испытаний линейных стыков SDSL, SHDSL цифровых систем передачи абонентского доступа. // Метрология и измерительная техника в связи. - 2002, № 2. - с.20-24.
Костерова Л.Н., Власов А.В. Влияние нелинейных явлений в абонентском шлейфе на качество функционирования цифровых систем передачи абонентского доступа с ADSL. Труды LVII научной сессии РНТОРЭС имени А.С. Попова. М., 2002. - с. 179-181.
Костерова Л.Н., Снегов А.Д. Нормирование и методики измерения параметров асимметрии аппаратуры цифровых систем передачи. // Метрология и измерительная техника в связи. - 2002, № 3. — с.35-39.
Костерова Л.Н. О совместной работе цифровых систем передачи абонентского доступа с линейным кодом САР 128 и аппаратуры К-60П на линиях междугороднего симметричного кабеля. // Метрология и измерительная техника в связи. - 2002, № 4. - с.35-38.
Костерова Л.Н. Расчет помехозащищенности от переходной помехи на ближнем конце для ЦСП абонентского доступа. Материалы 11-ой межрегиональной конференции МНТОРЭС имени А.С. Попова «Обработка сигналов в системах телефонной связи и вещания», Пушкинские Горы -М., 2002. -с.55-57.
Власов А.В., Костерова Л.Н. Цифровые системы передачи абонентского доступа. Учебное пособие. - М.: МТУСИ, 2002. - 32 с.
Костерова Л.Н. Эволюция цифровых систем передачи абонентских сетей. Материалы научно-технической конференции профессорско-преподавательского, научного и инженерно-технического состава МТУСИ. М., 2003. - с. 93-94.
Костерова Л.Н. Переходные помехи в цифровых системах передачи абонентского доступа. // Метрология и измерительная техника в связи. -
2004,№1.-с.ЗЗ-35.
Костерова Л.Н. Стандартизация параметров электромагнитной совместимости ЦСП абонентского доступа. Материалы научно-технической конференции профессорско-преподавательского, научного и инженерно-технического состава МТУСИ. М., 2004. - с. 293-294.
Парфенов Ю.А., Кайзер Л.И., Костерова Л.Н. О некоторых вопросах электромагнитной совместимости на кабельных линиях абонентского доступа. Сборник трудов 3-ей всероссийской конференции «Современные технологии проектирования, строительства и эксплуатации линейно-кабельных сооружений. СТЛКС-2004». СПб., 2004. - с. 37-41.
Кайзер Л.И., Костерова Л.Н. Анализ электромагнитной совместимости цепей кабельных линий сетей абонентского доступа. // Электросвязь -2004, № 11.-е. 13-15
Костерова Л.Н. Физические модели линий при испытаниях цифровых систем передачи абонентского доступа. // Метрология и измерительная техника в связи. - 2005, № 3. - с.33-37.
Костерова Л.Н. Модель временных характеристик передачи элементарных кабельных участков городского телефонного кабеля. Труды конференции «Телекоммуникационные и вычислительные системы» Международного форума информатизации (МФИ-2005), М., 2005. - с.201.
Костерова Л.Н. Измерения временных характеристик перехода на ближний конец в городском телефонном кабеле. Труды конференции «Телекоммуникационные и вычислительные системы» Международного форума информатизации (МФИ-2005), М., 2005. - с.204-205.
Костерова Л.Н., Снегов А.Д. Проблемы развития цифровых систем передачи абонентского доступа (ЦСП-АД). Материалы научно-технической конференции профессорско-преподавательского, научного и инженерно-технического состава МТУ СИ. М., 2006. - с. 190.
Костерова Л.Н. Модели переходных влияний на ближний и дальний концы для ЦСП абонентского доступа. Материалы научно-технической конференции профессорско-преподавательского, научного и инженерно-технического состава МТУ СИ. М., 2006. - с.215.
Костерова Л.Н. Измерения импульсных характеристик переходов на ближний конец в городском телефонном кабеле. // Метрология и измерительная техника в связи. - 2006, № 1. -с.39-42.
Апробация работы. Все основные положения диссертационной работы и ее отдельные результаты опубликованы в печатных трудах: научных статьях («Электросвязь», 2004 г., «Метрология и измерительная техника в связи», 2001, 2002, 2004, 2005, 2006 г.г.), в двух учебных пособиях (2002г.), доложены и обсуждены на Международном форуме информатизации (МФИ-2005), конференциях РНТОРЭС им. А. С Попова (2000,2002 г.), МНТОРЭС им. А. С Попова (2002 г.), на конференции СПбГУТ им. проф. М.А. Бонч-Бруевича СТЛКС-2004 (2004 г.), на научно-технических конференциях профессорско-преподавательского, научного и инженерно-технического состава МТУ СИ (2003,2004,2006 г.г.).
Внедрение результатов. Отдельные теоретические и практические результаты, полученные в работе, внедрены в научно-производственную деятелыюсть ООО «Связьконтактинформ», ООО «Телпро-Сервис», ИЦ МТУСИ, а также использованы в госбюджетных НИР МТУСИ, в учебных процессах ННОУ «Комсет» и кафедры АИТиСС МТУСИ, что подтверждено соответствующими актами.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованной литературы и приложений. Работа содержит 135 страниц основного текста, 56 рисунков и графиков, 18 таблиц, 4 приложения на 26 страницах. Список литературы включает 74 наименования.
Краткое содержание глав.
Первая глава посвящена обоснованию необходимости разработки компенсационного метода снижения взаимных влияний в линиях с ЦСП-АД, обеспечивающего повышение пропускной способности городского телефонного кабеля.
Произведена периодизация эволюции сетей доступа. Дано описание современного этапа, характеризующегося развитием инфокоммуникационных услуг и технологий, изменением понятия сети доступа. Сформулировано определение сети доступа на современном этапе.
Выполнен обзор технологий, применяемых на сетях доступа, при этом основное внимание уделено технологиям xDSL. Показано, что задача выбора технологий передачи для сети доступа решается в два этапа: выбор сред распространения и выбор технологий в этих средах. Аппаратурой ЦСП-АД на основе технологий xDSL в мире оборудовано около 66% линий.
Технологии xDSL широко используется для решения социальных задач, в частности поставленных ФЦП «Электронная Россия 2002-2010», и являются ресурсосберегающими технологиями, позволяющими максимально эффективно использовать существующие линии городского телефонного кабеля.
Выявлены группы факторов, ограничивающих использование аппаратуры ЦСП-АД, работающей по парам городского телефонного кабеля. Выявлено, что количество ЦСП-АД, устанавливаемых на парах одного городского телефонного кабеля, ограничивается в основном взаимными влияниями между парами городского телефонного кабеля, оборудованными ЦСП-АД.
Проанализированы известные способы снижения взаимных влияний в линиях с ЦСП-АД. Сделан вывод, что известные способы не позволяют оборудовать аппаратурой ЦСП-АД произвольные пары кабеля. Поэтому необходимо разработать метод снижения взаимных влияний, обеспечивающий повышение пропускной способности городского телефонного кабеля. Современный уровень развития техники обработки сигналов подразумевает, что предлагаемый метод должен быть ориентирован на цифровую обработку сигналов во временной области.
Выполнен обзор результатов теории взаимных влияний в линиях передачи симметричного кабеля, оборудованных аппаратурой ЦСП. Показано, что исторически сложившиеся частотный и временной подходы к анализу взаимных влияний между ЦСП, работающими по магистральному симметричному кабелю, необходимо развить с целью учета особенностей ЦСП-АД на основе технологий xDSL. В доступной литературе имеется теория взаимных влияний между ЦСП-АД, основанная на частотном подходе. Теория взаимных влияний для линий, оборудованных ЦСП-АД, основанная на временном подходе, развита в недостаточной степени.
Вторая глава посвящена развитию теории взаимных влияний для линий с ЦСП-АД, работающих по двусторонней, двухпроводной системе передачи.
Разработаны принципы составления схем переходных влияний между линиями с ЦСП-АД. В качестве примера приведены и проанализированы схемы переходных влияний при одинаковых симметричных технологиях xDSL, разных симметричных технологиях xDSL, одинаковых асимметричных технологиях xDSL с эхокомпенсацией, одинаковых асимметричных технологиях xDSL с разделением по частоте, асимметричных технологиях xDSL с эхокомпенсацией и с разделением по частоте.
Обобщены имеющиеся в зарубежной литературе сведения о характеристиках переходных влияний для линий с ЦСП-АД, расчетные формулы преобразованы к принятому в отечественной литературе виду. В связи с отсутствием временных моделей переходных влияний в городских телефонных кабелях разработаны аналитические модели на базе хорошо известного и развитого частотного подхода. Далее эти модели были верифицированы по частотным характеристикам и проведено исследование их временных характеристик с целью получения параметров ИХ. Разработанные аналитические модели переходных влияний в городском телефонном кабеле состоят из ЭЧС и ЭКУ и позволяют исследовать зависимости частотных и временных характеристик переходных влияний от структуры линии городского телефонного кабеля и идентифицировать сосредоточенные связи.
Показано, что эквивалентные характеристики ЭЧС можно получить при имитации только электрической связи одним конденсатором.
Разработанные аналитические модели переходных влияний предусматривают воспроизведение моделями ЭКУ как амплитудно-частотных характеристик (АЧХ), так и фазо-частотных характеристик (ФЧХ) линий городского телефонного кабеля. Разработаны методики синтеза моделей ЭКУ с аппроксимацией коэффициента передачи в диапазонах частот до 150 кГц и 1,2 МГц и с аппроксимацией коэффициента передачи и волнового сопротивления в диапазоне частот до 200 кГц.
Исследования разработанных аналитических моделей переходных влияний позволяют определить требования к системным параметрам ЦКПП.
Третья глава посвящена разработке и реализации компенсационного метода снижения взаимных влияний линий с ЦСП-АД.
Составлена классификация применений компенсационного метода в технике проводной электросвязи и показана перспективность использования компенсационного метода для снижения переходных влияний на БК и ДК.
Определены требования к параметрам качества функционирования устройства, реализующего компенсационный метод снижения взаимных влияний.
Произведена оценка влияния включения ЦКПП на пропускную способность городского телефонного кабеля, оборудованного ЦСП-АД.
Определена схема включения ЦКПП в линии городского телефонного кабеля с учётом их многопарности.
Определен состав системных параметров ЦКПП и произведена оценка их значений, исходя из параметров аппаратуры ЦСП-АД и параметров временных характеристик переходных влияний на БК и ДК.
Рассмотрены методы синтеза и настройки компенсационных систем автоматического управления и выбраны основные технические решения. Показано, в частности, что ЦКПП должен быть адаптируемым.
Определен состав основных элементов ЦКПП, составлена структурная схема ЦКПП и разработаны функциональные схемы элементов ЦКПП.
Приведен расчет параметров ЦКПП и произведена оценка требований к точности его действия. Определены рабочие характеристики наиболее сложного элемента ЦКПП - адаптируемого трансверсального фильтра (АТФ). Выбран тип цифрового сигнального процессора для реализации АТФ ЦКПП.
Работа по реализации ЦКПП сведена к стандартным инженерным задачам.
Четвертая глава посвящена описанию экспериментальных исследований, проведенных как для сбора исходной информации для исследований, так и для проверки полученных результатов.
С целью определения отсутствующих в литературе значений ИХ переходных влияний были реализованы аналитические модели, включающие модели ЭКУ и ЭЧС, полностью воспроизводящие ИХ переходных влияний.
Приведены результаты измерений ИХ переходных влияний на реальных абонентских и соединительных линиях городского телефонного кабеля МГТС и на абонентских линиях ООО «Связьконтактинформ». Полученные результаты измерений являются уникальными и позволили уточнить требования к элементам ЦКПП для заданной величины повышения затухания.
В процессе анализа результатов исследований аналитических моделей переходных влияний и измерений ИХ переходных влияний на реальных линиях связи городского телефонного кабеля было выявлено, что аналитическая модель переходного влияния на БК позволяет идентифицировать места и величины сосредоточенных переходов в городском телефонном кабеле и, следовательно, находить и устранять некоторые типы неисправностей в линии.
В целях проверки функционирования ЦКПП разработана имитационная модель ЦКПП, установленного на линии, и выполнено исследование взаимосвязи основных параметров имитационной модели с приращением переходного затухания на БК.
Таким образом, в диссертационной работе пройден путь от обоснования идеи до технического решения по реализации ЦКПП. Работа представляет собой законченное, доведённое до инженерного уровня, решение важной для развития страны задачи.
Особенности технологий xDSL
Технологии xDSL являются дуплексными (двусторонними), то есть передача происходит по одной паре проводов одновременно в прямом (от станции к абоненту) и обратном (от абонента к станции) направлениях, при этом разделение направлений осуществляется с помощью эхокомпенсации или по частоте [18].
Основное требование к ЦСП-АД заключается в следующем: они должны быть «прозрачны» для передаваемых цифровых потоков, то есть не искажать их структуру [19].
Линейный код должен отвечать следующим требованиям: - формирование приемлемой полосы частот сигнала в линии, так как затухание сигнала и переходные влияния между парами резко возрастают на частотах выше 300 кГц, тогда как на частотах ниже 6 кГц существенно влияние на форму передаваемого импульса нелинейности фазовой характеристики и импульсных помех от набора номера по другим парам; - обеспечение устойчивой тактовой синхронизации при произвольных статистических характеристиках передаваемой информации; - возможность контроля ошибок приёмного оборудования без закрытия связи; - обеспечение работоспособности аппаратуры на линиях различной длины и структуры, состоящих из участков кабеля различных типов.
Этим требованиям удовлетворяют сбалансированные коды с активной паузой.
Классификация технологий xDSL по способу разделения направлений передачи сигнала и по виду линейного кода приведена на рис. 1.7 и рис. 1.8 соответственно.
Классификация технологий xDSL по виду линейного кода Одной из основных характеристик технологий xDSL, определяющих их совместное использование, является допустимый уровень мощности переда ваемого сигнала и, следовательно, спектральная плотность мощности (СПМ), которая характеризуется двумя параметрами: маска СПМ и шаблон СПМ [20].
Маска СПМ показывает абсолютную верхнюю границу СПМ, измеренной в пределах определенной разрешенной полосы частот. Маска СПМ обычно определяет максимальный уровень СПМ для стационарных сигналов.
Шаблон СПМ показывает ожидаемые усредненные значения СПМ стационарных сигналов. Значения шаблона СПМ обычно ниже или равны соответствующим значениям маски СПМ.
Маски СПМ предназначены для того, чтобы доказать соответствие требованиям стандартов, а шаблоны СПМ используются для целей моделирования.
В технологии IDSL (ISDN DSL) используются коды 2B1Q (2 Binary to 1 Quaternary), кроме Германии, Австрии (4ВЗТ) и Японии (AMI). Разделение направлений осуществляется с помощью адаптивной эхокомпенсации.
В соответствии с [21] маска СПМ аппаратуры ЦСП-АД на основе технологии IDSL показывает верхние границы СПМ (прил.А рис.1). Уровень мощности сигнала в полосе частот от 0 до 80 кГц должен быть от +13 дБм до +14 дБм.
Значения шаблона СПМ для технологии IDSL вычисляют по формуле sin /f / J CUM , PlDSin/ х j, Вт I Гц (1.1) 1DSL\J) ,ЛЛЛ Х г Х юоо /„„ и/ у rf V / J сим у \/ J CU.M ) где /?/ns„=13,5 дБм - номинальное значение уровня мощности сигнала, д,=1,1257 - коэффициент, обозначающий характеристики используемого фильтра, /сим=&0 000 Гц - частота, соответствующая скорости передачи символов.
Технология HDSL (High bit-rate DSL) применяется для передачи по трем, двум и одной парам проводов с линейным кодом или 2B1Q, или CAP (Carrier-less Amplitude and Phase modulation - амплитудно-фазовая модуляция без пере дачи несущей). Разделение направлений осуществляется с помощью адаптивной эхокомпенсации.
В технологии HDSL для скорости 1168 кбит/с используется линейный код САР-64 (6 бит информации за один тактовый интервал), для скорости 2320 кбит/с - САР-128 (7 бит информации за один тактовый интервал). Из 6 бит при САР-64 и 7 бит при САР-128 все биты кроме одного являются информационными. Этим объясняется существенное ограничение спектра сигнала, передаваемого в линию, как в области высоких, так и низких частот. Именно спектральными особенностями линейного сигнала объясняются основные преимущества оборудования, использующего САР: - повышение дальности работы, обусловленное тем, что более низкочастотный при той же скорости передачи (по сравнению с 2B1Q) сигнал меньше ослабляется кабельной линией; - обеспечение устойчивости к высокочастотным и импульсным помехам, радиоинтерференции благодаря отсутствию в спектре высокочастотных составляющих; - отсутствие взаимовлияния в низкочастотной части спектра, традиционно используемой для аналоговой передачи телефонных разговоров и сигнализации; - нечувствительность к низкочастотным наводкам от силовых установок (метро, железнодорожный транспорт и др.) и электрических сетей [22].
В соответствии с [23] маска СПМ аппаратуры ЦСП-АД на основе технологии HDSL показывает верхние границы СПМ (прил.А рис.3).
Уровень мощности сигнала при использовании линейного кода 2B1Q должен быть от +13 дБм до +14 дБм в полосе частот от 0 до 784 кГц (три пары), от 0 до 1168 кГц (две пары), от 0 до 2320 кГц (одна пара).
Уровень мощности сигнала при использовании линейного кода САР должен быть от +13 дБм до +14 дБм в полосе частот от 3,98 до 297 кГц (две пары), от +15 дБм до +16 дБм от 4 до 489,02 кГц (одна пара).
Характеристики переходных помех на дальнем конце
Известные [36, 37, 57] схемы переходных влияний в симметричных кабелях, которые разработаны для магистрального симметричного кабеля, оборудованного ЦСП типа ИКМ с четырехпроводной, двухкабельной схемой организации связи, для ЦСП-АД не подходят.
Схемы переходных влияний между линиями, оборудованными ЦСП-АД на основе технологий xDSL, разработаны с учетом следующих особенностей: - схема связи: однополосная (за исключением асимметричных технологий xDSL с разделением направлений передачи по частоте), двусторонняя, двухпроводная, однокабельная, - станционное и абонентское оборудование ЦСП-АД одновременно является и передатчиком и приемником сигнала, - технологии xDSL делят на симметричные однополосные и на асимметричные однополосные и двуполосные.
В подверженной влиянию паре одновременно могут передаваться сигналы обоих направлений (от сети к абоненту и от абонента к сети) и, следовательно, имеются два сигнала, подверженных влиянию. Из-за вносимого линией связи затухания сигнал в точке приема более подвержен влиянию, чем сигнал в точке передачи. При построении схем переходного влияния между линиями, оборудованными ЦСП-АД, в качестве подверженного влиянию сигнала на ближнем или дальнем концах рассматривается сигнал, принимаемый станционным или абонентским оборудованием.
Общая схема переходных влияний между линиями, оборудованными ЦСП-АД, учитывающая двухпроводную, однокабельную схему организации связи и одновременную работу станционного и абонентского оборудования в качестве передатчика и приемника сигнала, приведена на рис.2.1.
Схемы переходных влияний между линиями, оборудованными ЦСП-АД на основе симметричных технологий xDSL, приведены на рис.2.2 (а - для одинаковых симметричных технологий xDSL, б - для разных симметричных технологий xDSL). Схематично изображены СПМ влияющих сигналов и СПМ сигналов, подверженных влиянию. Заштрихованная область СМП сигнала, подверженного влиянию, показывает часть спектра в эффективной полосе частот, совпадающего со спектром влияющего сигнала.
Анализ схем показал, что для переходных влияний между линиями, оборудованными симметричными ЦСП-АД, характерно: - переходная помеха на БК превышает переходную помеху на ДК, что особенно сказывается при увеличении длины линии; - наибольшим ограничивающим фактором является ОПП на БК.
Схемы переходных влияний между линиями, оборудованными ЦСП-АД на основе асимметричных технологий xDSL, приведены на рис.2.3 (а - для одинаковых асимметричных технологий xDSL с эхокомпенсацией, б - для одинаковых асимметричных технологий xDSL с разделением по частоте, в - для асимметричных технологий xDSL с разными способами разделения направлений).
Анализ схемы показал, что для переходного влияния между линиями, оборудованными асимметричными ЦСП-АД, характерно: - переходная помеха на ДК превышает переходную помеху на БК, - при разделении направлений передачи частотным способом переходная помеха на ближний конец в рабочей полосе частот определяется качеством выполнения фильтров, входящих в разветвители.
Взаимные влияния между цепями обуславливаются наличием электрического и магнитного влияний и заключаются в том, что при передаче сигналов по парам кабеля часть электромагнитной энергии переходит с каждой пары на остальные параллельные пары и проявляется на них в качестве помехи. На основе известных моделей [36, 37, 56], отражающих различные стороны физической природы процесса взаимных влияний, разработаны аналитические модели переходных влияний между линиями с ЦСП-АД.
При моделировании процесса взаимных влияний кабель условно разделен на относительно короткие отрезки - элементарные кабельные участки (ЭКУ) с сосредоточенными параметрами. Каждый ЭКУ примерно соответствует строительной длине городского телефонного кабеля. При этом длина ЭКУ должна быть меньше одной четвертой длины периода наивысшей передаваемой частоты [57]. Разработке моделей ЭКУ городского телефонного кабеля посвящен раздел 2.4 диссертационной работы.
Степень влияния характеризуется параметрами эквивалентных четырехполюсников связи (ЭЧС), имитирующих переходы. Эквивалентная схема взаимного влияния между двумя парами кабеля, обусловленного электрической и магнитной связями показана на рис.2.4 [32, 57]. При этом частичные емкостные и индуктивные связи между жилами заменены емкостными и индуктивными эквивалентными связями между парами кабеля.
Требования к параметрам качества функционирования цифрового компенсатора переходных помех
Синтез аналитической модели ЭКУ основан на подходе, применяемом при проектировании блоков искусственных линий для аппаратуры связи ЦСП ИКМ-12М (рис.7.17 [61]), представляющих собой симметричные перекрытые четырехполюсники.
Был проведен анализ схемы ИЛ-2 км кабеля КСПП-0,9 для ЦСП ИКМ-12М с рабочим диапазоном частот до 358 кГц.
Для моделирования ФЧХ кабеля в схему, представляющую собой симметричный перекрытый четырехполюсник, добавлена линия задержки.
Методика синтеза модели ЭКУ в виде Т-образного перекрытого четырехполюсника, каскадно-соединенного с линией задерэ/ски [63]
Модель ЭКУ состоит из двух основных элементов: Т-образного перекрытого четырехполюсника для аппроксимации АЧХ и линии задержки для ФЧХ.
0. Исходными данными являются первичные и вторичные параметры го родского телефонного кабеля (табл.5.13 [32]), значение эквивалентной длины /.
1. Проектирование Т-образного перекрытого четырехполюсника. Общая схема Т-образного перекрытого четырехполюсника приведена на рис.2.8.
1.1. Сопротивление Z/ определяют по входному сопротивлению линии, которое в рабочем диапазоне частот стремится к активному, равному номи нальному сопротивлению аппаратуры согласно нормативным документам. ZX=RX (2.13)
1.2. Схема, приведенная на рис.2.4, является мостовой, сопротивления связаны соотношением (2.14) Zsy /Ify — Zj\ причем Z2 и Zj являются взаимообратными двухполюсниками. Схемы сопротивлений 22 и Zi приведены на рис.2.9 (а, б - для частот до 1,2 МГц; в, г - для частот до 150 кГц).
Так как Z2 и Zj взаимообратные, то АЧХ Т-образного перекрытого четырехполюсника полностью определяется сопротивлением Z2. Известно [64], что зависимость затухания от частоты A(fi) выражается через Z; и Z2 по формуле АШ = 20\В + zm (2.17)
Значения затухания известны из [32]. Решая обратную задачу, находят значения параметров R2, R3, R4, Li, L2, (для случая, показанного на рис.2.9.б), R3, R4, L2 (для случая, показанного на рис.2.9.г) сопротивления Z2 при выполнении A(fj)— afyl.
1.4. Из формулы (2.18) находят значения параметров R5, R6, R7, Сі, С2 со противления Z3. /2,= ., R6 = ,R7 = , Cx=hr, C2= - (2.18) 5 R2 6 R3 7 R4 R? 2 Rf
1.5. Рассчитывают затухание A(fD (2.17) и сдвиг фазы B(fJ для Т образного перекрытого четырехполюсника Щ.) = аг8(1 + ) (2.19) 2. Проектирование линии задержки. 2.1. Общую задержку 7 линии задержки рассчитывают по формуле Td=TdKdA_m (2.20) где Так - задержка кабеля, Тс/4-ка - задержка Т-образного перекрытого четырехполюсника.
3. Проводят, повторяя шаги 1.3, 1.4, корректировку АЧХ затухания Т образного перекрытого четырехполюсника с учетом амплитудно-частотных ис кажений А ЧИЛз(/і), вносимых линией задержки. АШ= ШІ-АЧИ»Ш (2-25)
4. Повторяя шаги 1.3 и 1.4, находят оптимальные значения параметров R2, R3, L\ продольного сопротивления Z2 и R4, R5, Сі поперечного сопротивления Z3 в соответствии с критерием минимизации среднеквадратичного отклонения значений затухания от справочных данных [32].
5. Определяют АЧХ и ФЧХ модели ЭКУ, состоящей из Т-образного перекрытого четырехполюсника и линии задержки.
Схемы принципиальные электрические моделей ЭКУ приведены на рис.2.10 (а - для частот до 1,2 МГц; б - для частот до 150 кГц).
6. Если хотя бы на одной частоте из рабочего диапазона максимальное отклонение АЧХ или ФЧХ превысит заданную погрешность, то увеличивают количество элементов Т-образного перекрытого четырехполюсника или количество звеньев линии задержки соответственно и повторяют шаги 1, 2, 3, 4 и 5.
Относительную погрешность вычисляют по формуле (2.13), где: аисх — значение, взятое из табл. 5.13 [32].
Пример расчета модели ЭКУ, имитирующей характеристики кабеля ТПП-0,5 длиной 0,5 км в полосе частот до 150 кГц
Продольное сопротивление Zi=R 1=100 Ом п.4.3.19.6 [59].
Находим значения элементов сопротивления Z2 при выполнении условия A(fi) - а(ії)1. Д3=44,3 Ом, Д,=51,4 Ом, 12=326 мкГн По формуле (2.18) вычисляем значения элементов поперечного сопротивления Z3. Я(Г226 ОМ, Rf=\95 Ом, С2=32,6 нФ Определяем сдвиг фазы B(f) Т-образного перекрытого четырехполюсника (табл.2.4). Общая задержка линии задержки, вычисленная по формуле (2.21), 7 =2,48 мкс.
Сопротивление Z0 равно номинальному сопротивлению аппаратуры ADSL согласно п.4.3.19.6 [59], т.е. Zo=\00 Ом. Общую индуктивность L, и общую емкость Ct вычисляем по формуле (2.23). ,=248 мкГн, =24,8 нФ. Количество звеньев определяем по формуле (2.24). N=1,08=2. Амплитудно-частотные искажения, вносимые линией задержки, АЧИЛЗ, приведены в табл.2.4.
Значения затухания Т-образного перекрытого четырехполюсника с учетом амплитудно-частотных искажений, вносимых линией задержки, рассчитанные по формуле (2.25) A (fj, приведены в табл.2.4.
Экспериментальные исследования аналитических моделей переходных влияний на ближний конец и дальний конец
Проведены измерения ИХ переходных влияний на БК на абонентских и соединительных линий городского телефонного кабеля Московской городской телефонной сети в помещении кросса АТС с помощью анализатора систем передачи и кабелей связи AnCom А-7 производства фирмы Аналитик-ТС. При измерениях использовались следующие возможности измерительного прибора: измерение асимметрии пар, измерение емкости пар, измерение АЧХ, измерение уровня отражения и измерение амплитуды отражений. ИХ была измерена с помощью реализованного в AnCom А-7 корреляционного метода при затухании сигнала более 50 дБ [74].
В результате измерений получены значения длительности импульсных характеристик переходных влияний на ближний конец от 0,8 мкс до 3,5 мкс.
Отметим, что в ряде случаев наблюдалось немонотонное снижение АЧХ переходного затухания на ближнем конце.
Полученные результаты измерений позволили уточнить требования к элементам ЦКГШ для заданной величины повышения затухания.
Проведены измерения частотных характеристик переходных влияний на БК на абонентских линиях городского телефонного кабеля ООО «Связьконтак-тинформ». Выявлено, что аналитическая модель переходных влияний на БК позволяет идентифицировать сосредоточенные переходы в городском телефонном кабеле и, следовательно, находить и устранять неисправности в линии.
Результаты измерения АЧХ в сравнении со значениями, полученными в результате моделирования (рис.2.18, Сж=10 пФ, Сдк=1 пФ, ССр=\ пФ), показаны на рис.4.15.
Имитационная модель предназначена для исследования функционирования ЦКПП на линиях городского телефонного кабеля. Должно быть обеспечено решение следующих задач. 1. Проверка функционирования ЦКПП в идеальной обстановке. 2. Определение требований к точности отсчётов копии ИХ тракта переходных влияний (ТП).
Исследование влияния усечения ИХ ТП не производится в связи выявленной финитностыо этой характеристики.
Имитационная модель должна быть реализована на IBM-совместимой ЭВМ, выполнена на языке программирования высокого уровня и структурирована. Должны быть обеспечены диалоговый режим работы программы с пользователем и документирование полученных результатов.
Тракт переходных влияний представлен его импульсной характеристикой g(k), измеренной или рассчитанной в полосе частот от/их... До/их.в Тракт переходных влияний и блок формирования копии ИХ ЦКПП реализованы в виде цифровых КИХ-фильтров, наборы коэффициентов которых представляют собой отсчёты ИХ тракта переходных влияний g(k) и её копии g(k) соответственно. Выходные сигналы блока формирования копии ИХ у{к) и модели тракта переходных влияний у{к) являются результатом операции дискретной свёртки с входным сигналом х(к): y(n) = Tx(n-l k)-g(k); у(п) = Ш х{п-\-к) g{k) , где к при суммировании изменяется от нуля до п-\.
Программа разработана на языке высокого уровня Q-Basic; она может быть перенесена на язык Visual Basic, работающий в операционной среде Windows на IBM-совместимом компьютере.
Постановка и решение задачи № 1
Имитация функционирования ЦКПП в идеальной обстановке (рис. 4.16а) производится путём подачи от ГО дискретной -функции Кронекера: 1,0,0,... -всего N отсчётов. Проходя через регистры сдвига модели тракта переходных влияний и блока формирования копии ИХ, -функция воспроизводит отсчёты ИХ тракта переходных влияний g и копии ИХ g, записанные в виде коэффициентов умножения трансверсальных фильтров, на выходах этих блоков: у иу соответственно. Использовались 45 отсчётов активной части измеренной ИХ переходных влияний на ближнем конце между парами городского телефонного кабеля.
Если при прохождении -функцией Кронекера регистров сдвига отсчёты сигнала ошибки є=у -у = 0, то можно считать, что задача решена верно.
Распечатка решения задачи № 1 приведена на рис. 4.19. Переменная является суммой N=45 отсчётов выходного сигнала єп,п= 1, ...N. Постановка и решение задачи № 2 Копия ИХ тракта переходных влияний отличается от истинной ИХ из-за конечной точности измерений (имеют место существенное затухание испытательного сигнала и шумы в абонентской линии), а также из-за искажений квантования при цифровом представлении в трансверсальном фильтре памяти ЦКПП.
Имитационное моделирования производится как и в задаче №1, однако к отсчётам копии ИХ добавляют независимые отсчёты шума с распределением Гаусса при имитации неточности измерения или с равномерным распределением при имитации искажений квантования.
Величина защищённости Азащ сигнала от переходных влияний на ближний конец с импульсной характеристикой g при отсутствии ЦКПП регулируется коэффициентом Kg, на который умножаются отсчёты ИХ. Для Азащ =40 дБ коэффициентKg= 4,5-Ю-5; при Kg= 9-Ю"5 Азащ =34,3 дБ.
