DSL-технологии и цифровизация медных кабельных магистралей.
Медные кабельные линии связи являются и сегодня важной составляющей сети связи Российской Федерации, их цифровизация по праву относится к приоритетным задачам отрасли. Цифровые системы передачи (ЦСП) должны заменить существующие аналоговые системы на магистральной, зоновых и абонентских сетях. Между тем, одним из препятствий цифровизации магистральных медных линий является длина регенерационного участка (lрег), достигающая 25 км.
В поисках решения данной проблемы сформировались два подхода. Первый основан на применении ЦСП с трехуровневым линейным кодом HDB-3, для которого линейная и информационная скорости совпадают [1]. Второй – на применении xDSL-технологии с многопозиционным линейным кодированием, обеспечивающей более эффективнее использование полосы частот канала связи [2]. При обсуждении обоих подходов нередки заблуждения и ошибочные выводы [1]. В публикуемой ниже статье приводятся результаты оценки возможности ЦСП на одно- и двухкабельные линии связи, позволяющие определить наиболее целесообразные подходы к цифровизации магистральных медных кабельных линий связи.
Системы передачи данных с линейным кодом HDB-3 используются для кабельных линий связи большой протяженности [1]. Эти ЦСП работают в одном кабеле с аналоговыми системами (такими, как К-60). На рис.1 показан сигнал с линейным кодом HDB-3. В известных системах передачи с указанным линейным кодом [1] амплитуда выходного сигнала Uвых составляет 20 В. В случае равновероятной битовой последовательности спектральную плотность мощности сигнала на выходе передающего устройства PSD (при измерениях в полосе 3 кГц) можно представить в виде, показаном на рис.2. Заметим, что большая часть мощности сигнала приходится на диапазон 300…1300 кГц (1024 кГц – полутактовая частота сигнала); PSD в этой области частот достигает 0 дБм. В низкочастотной области PSD монотонно спадает, имея, однако, на частоте 250 кГц (верхней границе частотного диапазона системы К-60) еще заметный уровень мощности.
Вместе с тем, сегодня появились новые ЦСП с многопозиционной модуляцией сигнала (например, с CAP-128 или PAM-16 [2]), которые эффективнее используют полосу частот. На рис.3 показан сигнал с линейным кодом PAM-16. Глазковая диаграмма этого 16-уровневого сигнала приведена на рис.4. Обработка подобного сигнала, очевидно, значительно сложнее и производится с применением следующих средств и процедур, увеличивающих помехозащищенность сигнала [2 — 4]:
1) компенсатор с решающей обратной связью, который, в отличие от линейного эквалайзера приемного устройства, не увеличивает спектральной плотности высокочастотного шума при передаче данных по дисперсному каналу связи;
2) предкодер Томлинсона, расположенный в передающем устройстве и предназначенный для автоматического нелинейного предкодирования выходного сигнала в зависимости от частотной характеристики канала связи, определяемой на этапе трейнинг-последовательности;
3) Решетчатое кодирование (trellis coding) передаваемого сигнала и декодирование сигнала по алгоритму Витерби в приемном устройстве.
Цифровые системы передачи с многопозиционным кодированием позволяют в более узкой полосе частот передавать информацию с той же скоростью (2 Мбит/с), как и при использовании кода HDB-3. При скорости передачи 2 Мбит/с PSD CAP-128 занимает полосу до 390 кГц [3], а изменяющийся с частотой по закону [(sin(p*f/fsym)/ (p*f/fsym))]2, где fsym~R/3 (R=2048 кбит/с – скорость передачи данных), PSD PAM-16 [4] ограничивается на выходе передающего устройства фильтром нижних частот (ФНЧ). Его затухание вне полосы пропускания соответствует затуханию фильтра Баттерворта 6-го порядка с частотой среза f3дБ=(fsym/2)~343 кГц.
Спектральная плотность мощности сигнала PAM-16 показана на рис.2. Выходная мощность сигнала составляет 13,5 дБм при работе на кабеле с волновым сопротивлением 135 Ом. Приведенные характеристики сигнала подтверждаются экспериментальными измерениями сигналов реальных модемов [5]. При этом PSD PAM-16 во всем рабочем диапазоне не превышает –7 дБм. На частоте более 200 кГц PSD с кодом HDB-3 превышает PSD PAM-16. Поэтому, если говорить о совместимости ЦСП с аналоговыми системами передачи, то уровень перекрестной помехи для К-60 от ЦСП с многоуровневым сигналом даже ниже чем от ЦСП с кодом HDB-3, (если учесть при этом возрастание амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) с ростом частоты для перекрестной помехи в медно-кабельных линиях связи).
Цифровые системы передачи данных все больше «осваивают» кабельные линии связи. Однако при выборе системы необходимо принимать во внимание, по крайней мере, следующих два условия. Во-первых, то, что эти линии были проложены в свое время для аналоговых систем передачи с регенерационным участком длиной до 25 км. Современные же ЦСП должны, по крайней мере, перекрывать это расстояние. Большего, как будто, от них и не требуется, с учетом того, что в других, специальных случаях, связанных с прокладкой новых линий, предпочтительнее могут оказаться иные технические решения. Во-вторых, следует принимать во внимание возможность «соседствования» в одном кабеле нескольких ЦСП. Уже сейчас необходимо предусматривать использование систем, совместимых с другими ЦСП, но при этом оценивать эту совместимость по критерию минимума перекрестных помех.
Условия передачи данных на магистральных одно- и двухкабельных линиях связи существенно различаются. Основной мешающий фактор при передаче в двухкабельных магистральных линиях — частотно-зависимое затухание сигнала в канале связи. В однокабельных же линиях, кроме этого, скорость передачи данных и lрег ограничиваются перекрестными помехами на ближнем конце (NEXT). Оценим возможности различных ЦСП по одно- и двухкабельной линии связи.
Передача по двухкабельным линиям связи. Для ЦСП с кодом HDB-3 магистраль на кабеле МКС 4х4х1,2 lрег=21 км является естественным пределом. И это — без учета импульсных помех или помех, обусловленных работой радиостанций в средневолновом частотном диапазоне, и без учета того, что в кабеле могут возникать потери, превышающие номинальные табличные значения.
На рис.5 показана АЧХ канала связи на кабеле марки МКС 4х4х1,2 (lрег=21,0 км). Величина затухания на частоте 1 МГц составляет 113,2 дБ. В результате амплитудное значение сигнала на входе приемного устройства на этой частоте составит 43,8 мкВ.
Оценим теперь только тепловые шумы, являющиеся физическим пределом функционирования для дюбой электронной аппаратуры при обработке сигналов. Допустим, что входной аналоговый функциональный узел приемо-передающей части выполнен с использованием одной из последних разработок фирмы Analog Devices – микросхемы AD816, состоящей из драйвера и малошумящего входного усилителя. Микросхема специально разработана для передачи данных в диапазоне до нескольких мегагерц. Плотность напряжения шума, приведенного ко входу входного усилителя, еш=4нВ/ЦГц. В результате напряжение шума, приведенного ко входу приемного устройства в полосе рабочих частот системы с кодом HDB-3, составит 5,6 мкВ (среднеквадратичное значение шума). С учетом этого реальное отношение сигнал/шум SNR будет меньше 15 дБ. Величина SNR для сигнала с линейным кодом HDB-3, при котором коэффициент ошибок BER (bit error rate) не превышает 10-6, составляет 14 дБ. В итоге lрег=21 км для кабеля марки МКС 4х4х1,2 — предельное значение длины регенерационного участка для ЦСП с кодом HDB-3. Причем эта величина рассчитана без учета влияния сосредоточенных помех от работы станций радиовещания в средневолновом частотном диапазоне (520…1600 кГц). Возможность проникновения подобных помех в кабельные линии не отрицается даже в Европе, что послужило, кстати, одним из доводов в пользу принятия в качестве стандарта для асимметричных систем передачи по абонентским линиям (ADSL) сигнала с модуляцией DMT (digital multitone). В подобных системах имеется возможность режектировать нежелательные частоты.
Использование режекторных фильтров для сигнала с кодом HDB-3 приводит к уменьшению SNR и, соответственно, к уменьшению допустимой lрег и снижению скорости передачи. Необходимо также отметить, что обрабатывать сигнал на уровне десятков микровольт в аппаратуре, в большей части состоящей из цифровых узлов, весьма сложно. И, как правило, уровень шума, приведенного ко входу, практически определяется не тепловым шумом аналогового входного усилителя, а фоном, излучаемым цифровыми узлами модема.
Затухание сигнала с кодом TC-PAM для того же канала связи (кабель МКС 4х4х1,2 длиной 21,0 км) на частоте 343 кГц (граничной частоте спектра данного сигнала по уровню –3 дБ) составляет 65 дБ. Выходная мощность модемов систем передачи данных с многопозиционным кодированием (CAP-128 и PAM-16) составляет 13,5 дБм. Измеренные амплитудные значения Uвых указанных модемов равны 4 В [5]. Тогда величина амплитудного значения сигнала на входе приемного устройства (каналом связи lрег=21 км) на верхней частоте спектра PAM-16 составит 2,25 мВ. С учетом того, что сигнал PAM?16 имеет более низкие рабочие частоты по сравнению с сигналом, при одинаковых еш, SNR на входе приемника составит 53 дБ.
Использование перечисленных выше современных цифровых методов обработки сигналов в системе передачи данных с линейным кодом TC-PAM позволяет работать с BER=10-6 при SNR на входе приемного устройства 26 дБ [2].
Очевидно, что система передачи данных с кодом TC-PAM имеет потенциальный запас по дальности передачи, который, однако, не реализован до сих пор в цифровых процессорах фирм-изготовителей микросхем для аппаратуры xDSL. Вместе с тем, специалистами НТЦ «НАТЕКС» разработана система MEGATRANS с дополнительным устройством аналоговой обработки и коррекции сигнала (АОКС), позволяющим реализовать указанную возможность увеличени. дальности передачи данных в кабельных линиях.
Действительно, из изложенного выше следует, что ЦСП с кодом TC?PAM способна работать с затуханием в кабеле до 90 дБ на частоте среза спектра сигнала, т.е. данная система может обеспечить передачу данных с BER=10-6 по кабелю МКС 4х4х1,2 на расстояние до 30 км (при отсутствии перекрестной помехи на ближнем конце). Этот факт был экспериментально проверен в лабораторных условиях на эквиваленте, моделирующем кабельный участок длиной 30 км (затухание на граничной частоте спектора 343 кГц составляло 88 дБ). Расчеты подтвердились. Аппаратура MEGATRANS с линейным кодом TC-PAM обеспечивает BER=10-6 при затухании кабеля в полосе сигнала до 90 дБ.
Передача данных по однокабельным линиям связи. Помимо межсимвольной интерференции сигнала, связанной с частотно-зависимым затуханием в канале связи (~f1/2), серьезным ограничением для передачи по одной паре проводов по одной паре проводов, является перекрестная помеха на ближнем конце. Ее уровень зависит от полосы рабочих частот. Указанная зависимость соответствует закону ~f3/2, т.е. затухание сигнала в канале связи увеличивается за декаду на 5 дБ (по мощности), а перекрестная помеха NEXT — на 15 дБ. В результате, во-первых, система передачи данных имеет тем большую защищенность от перекрестной помехи на ближнем конце, чем ниже верхняя частота спектра сигнала, во-вторых, помехозащищенность зависит и от параметра запаса помехозащищенности для системы с данным линейным кодом.
Допустим, что уровень NEXT для кабеля МКС 4х4х1,2 на частоте 150 кГц составляет –80 дБ [5]. Тогда уровень NEXT на частоте 343 кГц составит –69 дБ, а на частоте 1 МГц – уже –55 дБ. С учетом запаса помехозащищенности системы передачи с кодом TC-PAM затухание сигнала в канале связи должно быть не более 43 дБ (при BER=10-6). Это значит, что длина кабеля не может быть более чем 14,3 км. В случае же системы передачи с кодом HDB-3 соответствующее затухание не может быть более 41 дБ. Но из-за большего затухания сигнала в кабеле на высоких частотах дальность связи по одной паре проводов не превышает для этой системы 7,6 км.
Следует отметить, что существует два способа борьбы с перекрестной помехой на ближнем конце. Во-первых, это эхо-компенсация (NEXT-cancelation), при которой происходит вычитание передаваемого местным передающим устройством сигнала из принимаемого сигнала. Во-вторых, это NEXT-equalization – коррекция частотной характеристики приемного устройства таким образом, что импульсная характеристика сигнала перекрестной помехи на входе решающего устройства проходит через ноль в моменты взятия отсчетов. Системы передачи, разработанные по технологии xDSL, как правило, используют для уменьшения перекрестных помех NEXT-equalization, так как при этом, в отличие от эхо-компенсации, коррекция частотной характеристики эффективно действует и в присутствии других систем передачи, работающих в одном кабеле.
В работе [6] показано, что подобная процедура позволяет улучшить SNR на входе решающего устройства в среднем на 12 дБ по сравнению с SNR на входе приемника. Это значит, что для рассмотренной выше ЦСП с линейным кодом TC-PAM уровень перекрестной помехи на ближнем конце, приведенной ко входу решающего устройства, составит менее –80 дБ на частоте среза спектра сигнала, т.е. данная ЦСП может работать по одной паре проводов с затуханием в канале связи 55 дБ, что для кабеля МКС 4х4х1,2 соответствует lрег=17,7км.
Таким образом, на магистральных одно- и двухкабельных медных линиях связи могут быть успешно использованы системы передачи с многопозиционным линейным кодированием (CAP-128, TC-PAM-16). Благодаря более эффективному использованию полосы частот канала связи указанные системы позволяют значительно увеличить не только длину регенерационных участков медно-кабельных магистралей, но и их помехозащищенность, по сравнению с ЦСП с кодом HDB-3. Кроме того, при использовании ЦСП с многопозиционным кодированием уменьшится влияние на другие системы передачи, находящиеся в том же кабеле.
ЛИТЕРАТУРА
1. Коршунов С.Е., Горбатовский А.Д., “Эффективность линейного кодирования в кабельных системах передачи”, “Вестник связи”, 2001г., №9, стр.39-42.
2. «Современные методы передачи данных в оборудовании SDSL с линейным кодом TC-PAM», «Электросвязь», 2001г., №4.
3. ETSI TS 101 135 V1.3.5.
4. ETSI TS 101 524-2 V1.1.1.
5. Парфенов Ю.А., Кайзер Л.И. “Первые экспериментальные результаты TC-PAM”, Вестник связи, 2001г., №4.
6. G.-H.Im, J.-J.Werner, “Bandwidth-Efficient Digital Transmission over Unshielded Twisted-Pair Wiring”, IEEE J.Select. Areas Commun., vol.13, no.9, pp.1643-1655, December 1995.
