Testování přípojek SHDSL

Příspěvek popisuje metody testování koncových zařízení symetrické digitální účastnické přípojky standardizované v doporučení ITU-T G.991.2.

    Při testování výkonnosti přenosu je snahou vytvořit podmínky, které odpovídají skutečným úrovním a skutečným průběhům rušení, jenž se vyskytují v reálných přenosových sítích. Testy, případně i s vyššími hodnotami rušení než nominálními pro danou situaci, mají umožnit stanovení šumových rezerv pro zadané podmínky přenosu (přenosová vzdálenost, přenosová rychlost).
    V doporučení ITU-T G.991.2 jsou jednoznačně specifikovány: podmínky uspořádání, testovací vedení a úrovně šumu. Testy jsou zaměřeny na nalezení meze šumu se zohledněním rušení přeslechy nebo impulsy. Mez šumu (respektive šumová rezerva) udává o kolik je možné zvýšit úroveň rušení při zachovaní požadované kvality přenosu.

obr. 1 - Blokové schéma testovacího pracoviště

    Na obr. 1 je blokové schéma pracoviště, které zahrnuje:

• test bitové chybovosti (BERTS) využívá pseudonáhodnou bitovou posloupnost 2¹⁵-1 (PRBS)
• testovací vedení (specifikována dále)
• vazební elementy rušení v souhlasném a v diferenčním módu
• generátory šumu generují oba druhy šumu, diferenciální i souhlasný
• diferenciální voltmetr s vysokou vstupní impedancí spojený s vyhodnocením úrovně (spektrální analyzátor nebo voltmetr měřící skutečnou efektivní hodnotu s diferenciální sondou)
• dva voltmetry s vysokou vstupní impedancí

    Charakteristiky dvoubranu (přenosová funkce, impedance) použitého testovacího vedení, jsou definovány mezi portem TX (pár A1, B1) a portem RX (pár A2, B2).
     Datový tok má během testu směr z portu TX na port RX z čehož plyne, že k měření směru upstream a downstream je nutná záměna transceiverů a konců vedení.
     Úroveň přijímaného signálu je úroveň měřená na portu RX mezi body A2 a B2, vysílací úroveň signálu na portu TX je úroveň mezi body A1 a B1. Oba porty (TX a RX) jsou zakončeny testovanými transceivery SHDSL nebo impedančně přizpůsobeny nominální hodnotou rovnající se R_V = 135 W. Generátory rušení jsou během tohoto testu vypnuty.

      Při testech systémů SHDSL se má rušivý šum skládat z šumu náhodného, impulsního a harmonického. Přímé propojení (testovací vedení č.1) se používá pro kalibraci a ověření správného nastavení generátorů G1-G7.

Definice úrovní signálu a šumu

    Úrovně signálu a šumu v diferenčním módu jsou měřeny pomocí napěťové vyvážené diferenční sondy (U1-U2).
    Úrovně signálu a šumu jsou v souhlasném módu měřeny pomocí vyvážené napěťové sondy jako napětí mezi A2, B2 a zemí. Napětí souhlasného módu je definováno jako (U1+U2)/2. Pozice sond pro měření obou módů rušení jsou ukázány na obr. 1.
     Měření efektivní hodnoty napětí U_rms[V], v celém signálovém pásmu, znamená výkonovou úroveň rovnající se :

(1)

    Měření efektivní hodnoty napětí U_rms [V], v malých intervalech frekvence Df [Hz], znamená průměrnou úroveň výkonové spektrální hustoty PSD [dBm/Hz] uvnitř pásma rovnající se :

(2)

kde šířka Df znamená šířku pásma šumu filtru pro pokles pásma o 3 dB.

Testovací vedení

    Testovací vedení (test loops) zobrazené na obr. 2 jsou založeny na testovacích vedeních pro systémy HDSL. Délka jednotlivých vedení je volena tak, aby byly srovnatelné přenosové charakteristiky všech vedení. Snahou je stejně a maximálně zatížit ekvalizér testované jednotky SHDSL pro všechna vedení při dané přenosové rychlosti. Celková délka testovacího vedení je popisována jako fyzická délka a délka jednotlivých sekcí je popisována jako příslušná část této fyzické délky.
    Jedno testovací vedení obsahuje slepé odbočky (bridged tap), které zapříčiňují zvlnění amplitudové a fázové přenosové charakteristiky. V některých přístupových sítích se slepé odbočky mohou vyskytovat jako pozůstatek dřívějších instalací telefonních přípojek, což má za následek vyšší nároky na SHDSL modem.
     Testovací vedení č.1 je vedení s délkou blízkou nule a je určeno pro testy při přímém propojení dvou transceiverů SHDSL.
     Topologie testovacích vedení jsou zobrazeny na obr. 2. U příslušných úseků jsou uvedeny absolutní hodnoty charakteristické impedance s typem vedení.
     kde zkratky znamenají :

    izolace :

• PE - polyethylen
• PVC - polyvinilchlorid

    průměr žíly :

• 04 - je f = 0,4 mm atd.

obr. 2 - Topologie testovacích vedení

    Délky testovacích vedení pro přenosové systémy SHDSL jsou specifikovány v tab. 1 a tab. 2. Povinná je hodnota vložného útlumu na příslušné frekvenci měřená s nominálním zakončením R_v = 135 W (elektrická délka).

    Testovací frekvence f_T je zvolena jako typická frekvence ve spektru systému SHDSL. Hodnota délky testovacího vedení je volena jako maximální hodnota, na které je systém SHDSL ještě schopen korektně pracovat. Závisí na požadované přenosové rychlosti. Při rostoucí rychlosti klesá hodnota vložného útlumu, na které lze systém provozovat.

tab. 1 - Hodnoty útlumu A testovacích vedení pro SHDSL, při použití šumového modelu A

tab. 2 - Hodnoty útlumu A testovacích vedení pro SHDSL, při použití šumového modelu B, C nebo D

Generátory rušení

    Při testování má šum injektovaný generátorem rušení typický průběh spektra (respektive spektrální výkonové hustoty). Průběh závisí především na délce testovacího vedení, parametrech přenosu a také na testovaném směru downstream nebo upstream. Závislost pro cizí šum je na obr. 3 a popsána v kapitole - Generátory rušení.
    Pro případ, že se délka testovacího vedení č. 2 rovná 3 km, používají se modely přeslechů popsané v kapitole - Modely přeslechů vedení.
    Závislost cizího šumu na různých délkách vedení při použití modelu B je na obr. 4.
    Cizí šumy (obr. 3 a obr. 4) se mají pro potřeby testování vhodně kombinovat s vlastním šumem transceiveru SHDSL.

obr. 3 - Příklady spekter cizího šumu, který je injektován při testech

obr. 4 - Příklady spekter cizího šumu, který je injektován při testech

    Sama problematika generování rušícího šumu pro testy výkonu systémů SHDSL je velmi obsáhlá a dále je rozdělena na menší části pro snadnější popis. Nezávislé a nekorelované generátory rušení se dělí a skládají do sestav generátorů rušení pro testování SHDSL jednotek. Detailněji jsou komponenty modelu rušení popsány níže spolu s krátkým vysvětlením.

Funkční diagram generátoru celkového šumu je zobrazen na obr. 5. Obrázek definuje kombinační možnosti vzniku šumu pro testovaní transceiveru SHDSL.

    Funkční diagram má následující složky :

• sedm generátorů šumů G1-G7, jejichž charakteristiky jsou nezávislé na testovacím vedení a na přenosové rychlosti
• přenosová funkce H₁(f,L) modeluje závislost přeslechu NEXT na délce a frekvenci. Přenosová funkce je nezávislá na typu testovacího vedení, mění se ovšem s elektrickou délkou vedení. Přenosová funkce je s frekvencí f svázána zhruba vztahem f^0,75
• přenosová funkce H₂(f,L) modeluje závislost přeslechu FEXT na délce a frekvenci. Přenosová funkce je nezávislá na typu testovacího vedení, mění se ovšem s elektrickou délkou vedení. Přenosová funkce s frekvencí f se zhruba mění podle "f x přenosová funkce vedení"
• spínače S1-S7 určují, zda konkrétní generátor šumu bude přispívat do celkového šumu během testu
• zesilovač A1 umožňuje současně zvýšit úrovně některých generátorů za účelem provedení testu mezního šumu. Hodnota zisku zesilovače musí být stejná v celém pásmu testovaného SHDSL systému od f_L do f_H. Pokud není jinak specifikováno je zisk zesilovače roven 0 dB.

    Toto blokové schéma generátoru se používá pro testy ve směru downstream i upstream. ITU-T vybralo několik modelů rušení pro použití při testech transceiverů SHDSL, které simulují typické rušení přítomné v přístupových metalických sítích.
    Výsledkem každého modelu je délkově závislý popis PSD šumu. Každý šum se dá rozdělit na dvě části. První je vkládána na straně STU-C a druhá na straně STU-R. Proto některé z generátorů rušení G1 až G7 mohou být definovány více než jedním šumovým profilem.

obr. 5 - Blokové schéma generátoru celkového šumu

    Pozn. : Generátor G7 je jediný, který je symbolicky zobrazen v časové oblasti. Přesná definice impulsního šumu je stále předmětem výzkumu.

Popisy generátorů rušení

    G1 - Generátor šumu NEXT (Near End Cross Talk) - představuje celkové rušení, které je způsobeno přeslechem z blízkého konce. Přeslech NEXT je způsoben pronikáním vysílaného signálu přes induktivní a kapacitní vazby na vstupy ostatních přijímačů na stejném konci vícepárového kabelu.
    Tento šum je možné matematicky popsat pomocí přeslechové funkce H₁(f, L) (viz. dále).
    Šum generovaný tímto generátorem má být nekorelovaný se všemi ostatními zdroji šumu a také s testovaným systémem SHDSL. Jeho průběh by měl být náhodný a s Gaussovým rozložením.

    G2 - Generátor šumu FEXT (Far End Cross Talk) - představuje celkové rušení, které je způsobeno přeslechem ze vzdáleného konce. Příčina jeho vzniku je stejná jako u přeslechu NEXT. Rozdíl je jen v místě měření rušení. U přeslechu FEXT jsou to vstupy přijímačů na vzdáleném konci vícepárového kabelu.
Také tento šum je možné matematicky popsat přeslechovou funkcí H₂(f, L).
    Šum generovaný tímto generátorem má být nekorelovaný se všemi ostatními zdroji šumu a také s testovaným systémem SHDSL. Jeho průběh by měl být náhodný a s Gaussovým rozložením.

    G3 - Generátor šumu pozadí - je neaktivní a nastaven na nulu.

    G4 - Generátor bílého šumu - má konstantní a frekvenčně nezávislou hodnotu rovnající se -140 dBm/Hz při zakončení R_v = 135 W. Šum generovaný tímto generátorem má být nekorelovaný se všemi ostatními zdroji šumu a také s testovaným systémem SHDSL. Šum má být náhodný a s Gaussovým rozložením.

    G5 - Generátor vysokofrekvenčního rušení (RFI) - představuje diskrétní interference způsobené amplitudově modulovanými vysílači v pásmu krátkých vln (SW), středních vln (MW) a dlouhých vln (LW).

    G6 - Generátor vysokofrekvenčního rušení (amatérské vysílání) - má stejný charakter jako širokopásmové vysokofrekvenční generátory (RFI). Odlišují se pouze v použité frekvenci a výkonu signálu. Přesné hodnoty jsou předmětem dalšího výzkumu.

    G7 - Generátor impulsního rušení - představuje zdroje, které generují krátké přechodové jevy. Tyto rušivé jevy mohou být přenášeny elektromagnetickou vazbou do přístupových sítí a mohou mít za následek vznik shluku chyb v digitálním přenosu.

PSD profily generátorů rušení

    G1 resp. G2 jsou zdroje rušení přeslechy NEXT resp. FEXT.
    Jak už bylo napsáno v odstavci u generátorů rušení G1 a G2, přeslech představuje rušení, které způsobují přenosové systémy připojené na sousední páry vedení ve stejném svazku kabelu.
    Vzhledem k různému projevu vlivu obou přeslechů na testovaný systém SHDSL, má každý z generátorů G1, G2 vlastní průběh spektra.

• X.C.# je označení pro profil rušení, které je injektováno na konci testovacího vedení u jednotky STU-C. Toto rušení generuje zdroj G1 při testování směru přenosu upstream a zdroj G2 při testování směru přenosu downstream
• X.R.# je označení pro profil rušení, které je injektováno na konci testovacího vedení u jednotky STU-R. Toto rušení generuje zdroj G2 při testování směru přenosu upstream a zdroj G1 při testování směru přenosu downstream.

    Pro generátor G1 tedy platí :

(3)

    - symbol # je označení pro model šumu (viz. dále) - A, B, C, D

    Pro generátor G2 platí :

(4)

    - symbol # je označení pro model šumu (viz. dále) - A, B, C, D

    Podle velikosti a druhu rušení uvádí ITU-T v doporučení [1] celkem čtyři základní modely situací, ve kterých by se systém SHDSL mohl ocitnout při nasazení v praxi. Pro každý model jsou stanoveny průběhy PSD profilů X.R.# a X.C.#.

    Modelové situace jsou :

• model A je určen pro simulování situace s vysokou úrovní rušení. Testovaný systém SHDSL je nasazen v kabelu (o více než stech symetrických párech vedení), ve kterém je již nasazeno mnoho přenosových systémů (potenciálně nekompatibilních)
• model B je určen pro simulování situace se střední úrovní rušení. Testovaný systém SHDSL je nasazen v kabelu (s více než deseti symetrickými páry), ve kterém je již nasazeno mnoho přenosových systémů (potenciálně nekompatibilních)
• model C je určen pro simulaci rušení, které je způsobeno nasazenými systémy typu ISDN-PRI (s linkovým kódem HDB3) přidaných do modelu B
• model D je určen jako referenční a to k demonstraci rozdílu mezi kabelem s nasazenými systémy pouze typu SHDSL a mezi kabelem, ve kterém je nasazen testovaný systém SHDSL spolu s jinými přenosovými systémy

    Výsledný PSD profil pro každý model je vytvořen součtem dvou individuálně definovaných profilů : vlastního a cizího přeslechového profilu.

(5)

    kde symboly jsou :

• symbol # je použit jako proměnná pro druh modelu - A, B, C, D
• symbol XS.C.# a XS.R.# jsou vlastní přeslechové profily (viz. dále)
• symbol XA.C.# a XA.R.# jsou cizí přeslechové profily (viz. dále)
• symbol ¨ je součet přeslechů dvou PSD, definovaný jako
  
  kde P označuje PSD ve W/Hz a K_n = 1/0,6

    Tyto profily mají být splněny pro všechny frekvence v pásmu mezi 1 kHz a 1 MHz.

Modely přeslechů vedení

    Účelem modelování přeslechů vedení je popsání jejich frekvenční a délkové závislosti. Při změnách elektrické délky vedení se pak podle těchto závislostí upravují úrovně generátorů rušení z obr. 5. Popisy jsou založeny na následujících konstantách, parametrech a funkcích :

• proměnná f je frekvence v Hz
• konstanta f₀ je referenční frekvence zvolená na hodnotu 1 MHz
• proměnná L představuje průměrnou fyzickou délku v metrech. Hodnoty jsou uvedeny v tab. 1, tab. 2 pro každou kombinaci přenosové rychlosti, modelu rušení a testovací vedení
• konstanta L₀ je referenční délka, zvolená na 1 km
• funkce s_T0(f,L) je frekvenční a délková závislost velikosti vloženého útlumu, pro konkrétní testovací vedení zakončené impedancí R_V =135 W
• konstanta K_xn je empirická hodnota ve vzorci přenosové funkce přeslechu NEXT H₁(f, L)
• konstanta K_xf je empirická hodnota ve vzorci přenosové funkce přeslechu FEXT H₂(f ,L)

Vlastní přeslechové profily

    Profily PSD vlastních rušících přeslechů jsou označovány XS.C.# a XS.R.#. Přesné hodnoty a průběhy profilů jsou ovšem ponechány na výrobcích zařízení SHDSL. Podle [1] mají výrobci transceiverů určit spektrum signálu testovaného systému SHDSL, které je měřené na portu TX. Průběh PSD má být definován po krocích o velikost 1 kHz (nebo menších).
    Pro testy SHDSL jsou definovány čtyři modely šumu vlastního přeslechu. Profily pro jednotky STU-C a STU-R jsou uvedeny v tab. 4.
    Symbol # je zástupný znak pro model - A, B, C, D.
    Řetězec "SHDSL.dn" je spektrum signálu, který SHDSL vysílá při směru downstream a "SHDSL.up" při směru upstream.

tab. 4 - Definice vlastních přeslechů pro testování SHDSL

Cizí přeslechové profily

    Profily PSD cizích rušících přeslechů jsou označovány XA.C.# a XA.R.#. Pro testování systémů SHDSL jsou definovány celkem čtyři modely cizích přeslechů [1]. Profily určené pro jednotku STU-C jsou specifikovány v tab. 5 a profily určené pro jednotku STU-R jsou specifikovány v tab. 6. Model D cizího přeslechu je neaktivní, je určen pro měření pouze vlastního přeslechu transceiveru SHDSL.

tab. 5 - PSD profil XA.C.#

tab. 6 - PSD profil XA.R.#

Postup měření

    Postup při měření hranice odolnosti proti šumu je následující. Při spuštění jsou úroveň a typ přeslechu nebo impulsního rušení nastavovány, dokud jejich úroveň měřená na portu RX odpovídá nominálním rušícím úrovním specifikovaným v [1]. Tato relativní úroveň je zvolena jako referenční 0 dBr.
    Pro měření hranice odolnosti proti přeslechu se úroveň šumu rušícího generátoru, která je definována v tab. 5 nebo v tab. 6, zvyšuje nastavováním zesílení zesilovače A1, dokud není dosažena bitová chybovost vyšší než 10^-7.
    Tato hodnota BER bude dosažena zvýšením velikosti šumu o x dB, což odpovídá rezervě měřeného SHDSL modemu oproti mezní hodnotě stanovené doporučením při rušení přeslechy. Hodnota BER by měla být měřena po přenosu nejméně 10⁹ bitů. Hranice odolnosti proti šumu se měří stejným postupem pro směr upstream i downstream.
    Měření hranice odolnosti proti impulsnímu rušení je předmětem dalšího výzkumu.

Příspěvek vznikl za podpory grantu FRVS G1 2048/2004 a GAČR 102/03/0434.

Literatura:

1. ITU-T Recommendation G.991.2. Single - pair high - speed digital subscriber line (SHDSL) transceivers - For approval - Updated. INTERNATIONAL TELECOMMUNICATION UNION (02/2001)
2. Jareš P.Diagnostika a konfigurace SHDSL přípojek. Praha, 2003. Diplomová práce na Fakultě elektrotechnické Českého vysokého učení technického na katedře telekomunikační techniky.
3. Jareš Petr.Testování výkonnosti přenosu systému SHDSL. COFAX-TELEKOMUNIKACIE 2004
4. Jareš Petr.Throughput modelling of ADSL and SHDSL. RESEARCH IN TELECOMMUNICATION TECHNOLOGY 2004