Simulace odolnosi ADSL vůči impulsnímu rušení

Simulation of ADSL modems resistance against impulse disturbance

Abstract

Pro dosažení maximální přenosové rychlosti je nutné zajistit maximální odstup signálu od šumu. Omezujícími faktory, jež snižují hodnotu SNR jsou různé typy rušení. U vhodně navržených přenosových systémů pro přístupové účastnické sítě bude vliv vnitřních systémových rušení (většinou šum použitých elektrických součástí) relativně malý. Rozhodující vliv tak budou mít externí zdroje rušení, a to zvláště impulsní rušení, vysokofrekvenční rušení a přeslechy na blízkém a vzdáleném konci. Snahou je proto co nejvíce omezit tyto nežádoucí vlivy. Z tohoto důvodu je velmi důležitý výběr vhodného kódování.

Impulsní rušení

Impulsní rušení je velmi specifické a úroveň tohoto rušení velmi záleží například na místě uložení metalického vedení. Jeho zdrojem je totiž elektromagnetické vyzařování silnoproudých kabelů, vysokonapěťových vedení a dalších podobných zařízení, zejména při spínání a regulaci velkých výkonů. Charakteristické pro toto rušení je krátké trvání (µs) a vysoký výkon. Toto rušení lze měřit dlouhodobou (řádově hodiny) detekcí shluků chyb. Všechny tyto typy rušení se v konečném efektu sčítají s bílým šumem pozadí. Vliv těchto rušení je možné ověřit buď v laboratoři použitím ADSL modemů a záměrným rušením vedení, nebo použitím programové simulace ADSL modemu a vedení.

Kódování

V ADSL se pro zvýšení odolnosti vůči rušení používají algoritmy využívající prokládání a Reed-Solomonovy kódy. Reed-Solomonovy kódy jsou blokově orientované samoopravné kódy s širokým rozsahem aplikací v digitálních komunikacích a při ukládání dat. Reed-Solomonovy kódy se používají pro opravu chyb v mnoha systémech. Patří mezi lineární blokové kódy označované zkratkou BCH (podle nezávislých objevitelů Bose, Ray-Chaudhuriho a Hocquengha). Konkrétně použitý Reed-Solomonův kód se označuje jako RS(n,k), přičemž důležitá je velikost symbolu. Symbol je tvořen s bitovými znaky (často s=8, takže bajty přenášených dat tvoří symboly RS kódu). Kodér použije k datových s bitových symbolů, dodá paritní symboly a vytvoří tak nbitové kódové slovo. Reed-Solomonův dekodér může opravit až t chybných symbolů, kde t = 0,5.(n-k).

Simulace

Simulaci jsem prováděl v programu Matlab – Simulink. Metoda pro testování odolnosti vůči impulsnímu rušení se podle doporučení ITU-T G.996.1 provádí injektováním zvoleného impulsu o různé amplitudě a v náhodné fázi. Pro každou amplitudu je impuls aplikován 15krát s prodlevou minimálně jedné sekundy. Během testování se měří chybovost DSL kanálů. Amplituda napětí v milivoltech, při které polovina impulsů způsobí chybu, se určí pro každý typ pulsu. Pro ADSL jsou v doporučení ITU-T G.996.1 definovány dva testovací impulsy: impuls číslo 1 a impuls číslo 2, jejichž časové průběhy jsou uvedeny na obrázcích.

Obr. 1 Průběh impulsu 1.

Obr. 2 Průběh impulsu 2.

Simulaci odolnosti vůči impulsnímu rušení impulsem 1 a impulsem 2 jsem prováděl pro každou hodnotu amplitudy impulsu po dobu 0,3 s s tím, že jsem impulsy vkládal vždy po třech přenesených rámcích bez impulsu a to vždy s posunutou fází proti předchozímu impulsu. Tím jsem přenesl 100 impulsů místo doporučených 15. Pro měření doporučovanou prodlevu mezi impulsy minimálně 1 s jsem snížil na prodlevu odpovídající době přenosu tří datových rámců, což je pro potřeby simulace zcela vyhovující. Doby v řádech sekund mezi jednotlivými impulsy by kladly příliš velké časové nároky na výpočet. Pro vyhodnocení výsledné chybovosti způsobené injektovanými impulsy bylo nutné hodnoty přepočítat na standardizované testovací podmínky.

Jednotlivé impulsy jsem vkládal do vedení na pozadí přeslechů dle ETSI - profil D pro směr downstream na straně účastnického modemu (ATU-R) pro délku vedení 2,4 km. Pro simulaci jsem jen mírně snížil amplitudu na 0,625násobek původní hodnoty, protože s původní amplitudou v simulaci vytvářel při použité přenosové rychlosti příliš vysokou chybovost, ve které by nebylo možné vyhodnotit odolnost vůči impulsnímu rušení.

Z naměřených hodnot při vkládání impulsů vyplývají amplitudy, při kterých polovina impulsů způsobí chybu:
Pro impuls 1 bez prokládání pro obě nastavení RS kodéru při amplitudě kolem 800 mV.
Pro impuls 1 s prokládáním pro RS(120,112) při 140 mV a pro RS(210,196) při 150 mV.
Pro impuls 2 bez prokládání pro RS(120,112) při 120 mV a pro RS(210,196) při 100 mV.
Pro impuls 2 s prokládáním pro RS(120,112) při 170 mV a pro RS(210,196) při 185 mV.

Obr. 3 Závislosti chybovosti na amplitudě impulsu 1.

Z předchozích závislostí je patrné, že pro impuls 1 je jednoznačně výhodnější nastavení bez prokládání proti nastavení s prokládáním a pro prokládání je mírně výhodnější nastavení RS kodéru na hodnotu RS(210,196) oproti RS(120,112). Naproti tomu při nastavení s prokládáním pro nižší amplitudu opět RS(210,196), ale pro vyšší amplitudu pulsu (nad 200 mV) je výhodnější nastavení RS(120,112).

Obr. 4 Závislosti chybovosti na amplitudě impulsu 2.

Pro impuls 2, který má odlišný charakter s delším průběhem na který je ADSL systém citlivější nastává opačná situace proti impulsu 1. Zde se jeví jako nejvýhodnější režim s prokládáním a nastavením RS(210,196). Poté teprve režim s prokládáním a nastavením RS(120,112), režim bez prokládání RS(120,112) a nejcitlivější na toto rušení je nastavení bez prokládání RS(210,196).

Závěr

Cílem simulace bylo zjistit, který způsob nastavení je při stejném poměru zabezpečovacích bitů a tudíž stejné efektivní přenosové rychlosti výhodnější. Z výsledků simulace nevyplývá jednoznačné univerzální řešení, ale je vidět, že pro různé typy rušivých signálů jsou vhodná různá nastavení kodéru. Výhodné by tedy bylo nejprve zjistit, jaké druhy rušení se v daném případě nejčastěji vyskytují a na základě toho teprve určit, jaké nastavení zabezpečení je nejvhodnější. Například pro prostředí s krátkými rušivými impulsy je vhodnější nepoužívat prokládání, kdežto pro prostředí s vysokou koncentrací digitálních systémů a následnými přeslechy je prokládání vhodné.

Příspěvek vznikl za podpory projektu GAČR "Omezující faktory při širokopásmovém přenosu signálu po metalických párech a vzájemná koexistence s dalšími systémy" (GA102/03/0434).

Literatura

[1] Adámek, J.: Kódování a teorie informace. Ediční středisko ČVUT, Praha 6, Zikova 4, 1991.
[2] Vrba, T.: Korekce chyb v ADSL modemech. Praha, 2005. Diplomová práce na ČVUT Fakultě elektrotechnické – katedře telekomunikační techniky.
[3] Vrba, T.: Korekce chyb v ADSL modemech. Praha, 2004. Semestrální práce na ČVUT Fakultě elektrotechnické – katedře telekomunikační techniky.
[4] Příplata P.: Správa spektra u přípojek xDSL, se zaměřením na dynamickou správu spektra. Praha, 2004. Semestrální práce na ČVUT Fakultě elektrotechnické – katedře telekomunikační techniky.
[5] Doporučení ITU-T G.996.1. Únor 2001.
[6] Doporučení ITU-T G.992.1. Červen 1999.
[7] Reed-Solomon codes. http://www.4i2i.com/reed_solomon_codes.htm.