Modul umělého vedení pro digitální účastnické přípojky

Je popsána experimentální metoda návrhu umělých vedení, kterou bylo nutno navrhnout v důsledku řady omezení známých metod. Vedle metodiky návrhu a výsledků simulací je uveden způsob realizace funkčního vzorku umělého vedení společně s výsledky měření.

---

Artificial Transmission Line Module for Digital Subscriber Lines

Abstract

An experimental method of artificial transmission lines design is described in this article that refers to the previous article called “Artificial Transmission Lines in Telecommunication Technique”. The experimental design solution was required with regard to characteristics and limits of known ancient design methods. The design methodology with simulation and measurement results that were used for verification and validation of the design method are mentioned herein.

---

Úvod

Cílem popisovaného zkoumání byla konstrukce umělého vedení (UV) simulujícího účastnické vedení pro přípojky DSL (Digital Subscriber Line), zejména pak pro přípojky ADSL (Asymmetric DSL), SHDSL (Single-pair High-speed DSL) a VDSL (Very high-speed DSL). Metody používané pro simulování účastnických vedení analogových telefonních služeb nejsou pro náš případ efektivně použitelné, viz článek Umělá vedení v telekomunikační technice, a tak jsem byl nucen hledat řešení experimentální.

Nejdříve je vhodné si definovat předpoklady, ze kterých se při samotném návrhu bude vycházet. Pro dosažení minimálního počtu stavebních prvků bylo zvoleno kaskádní spojení dolních propustí, jejichž meze nepropustného pásma jsou rozmístěny po celém pásmu použitelnosti umělého vedení. Hodnoty součástek je třeba určit numericky s využitím výpočetní techniky (Matlab), tj. nelineární regresní analýzou založenou na metodě nejmenších čtverců (funkce nlinfit). Jednotlivá vedení používaná pro xDSL přípojky se liší typem (parametry) a délkou. Pro některé kombinace je v horní části pásma útlum vedení tak velký, že je vedení v této oblasti prakticky nepoužitelné. Pro horní hranice frekvenčního pásma se tedy bude vycházet z překlenutelného útlumu v mezích maximálně do 70 dB, nicméně bude snahou přesné kopírování průběhu útlumu vedení skutečného přenosového vedení až do maximální možné hodnoty. Umělé vedení bude navrhováno tak, aby mělo stejný modul přenosové funkce při zakončení charakteristickou impedancí skutečného vedení, tj. v přizpůsobeném stavu.

Základní vlastnosti experimentální metody návrhu

Za účelem volby co nejjednoduššího obvodu jsem zvolil dolní propust typu RC se sériově řazeným odporem a kapacitorem, označovaný v literatuře jako pasivní PI-regulátor. Je charakterizován dvěma úhlovými rychlostmi ω₁ a ω₂, které představují zlomy frekvenční charakteristiky:

(1)

(2)

Modulová a fázová charakteristika pasivního PI-regulátoru je uvedena na Obr. 1.

Obr. 1 Modulová (a) a fázová (b) charakteristika PI-regulátoru

Jeho frekvenční charakteristika je dána vztahem:

(3)

Základní struktura PI-regulátoru je zobrazena na Obr. 2.

Obr. 2 Základní struktura pasivního PI-regulátoru

Pro použití v segmentu umělého vedení má tento obvod významnou vlastnost, a sice v pásmu vyšším než ω₂ vykazuje konstantní útlum a nulový fázový posun. Bude-li umělé vedení, jež je tvořeno několika takovýmito segmenty, optimalizováno pro určité frekvenční pásmo, bude při jeho překročení vykazovat nižší útlum, než vedení skutečné. Pro rozšíření požadovaného frekvenčního pásma je možno připojit další článek s vhodnými parametry.

Vlastní návrh umělého vedení

Základním kamenem návrhu je kaskádní spojení obvodů pasivních PI-regulátorů a využívání vlastností jejich frekvenčních charakteristik (zlomových bodů). V kmitočtové rovině je chování obvodu plně popsáno úhlovými frekvencemi ω₁ a ω₂. Úhlová frekvence ω₁ určuje mez propustného pásma a ω₂ spodní hranici konstantního útlumu, jejich poměr pak udává maximální útlum článku. Z hodnot součástek stanovených regresní analýzou můžeme stanovit obě úhlové frekvence pro uvažované články. Potřebný počet kaskádně spojených článků se bude řídit celkovým útlumem vedení a nikoli pouze horní hranicí frekvenčního pásma. Za účelem dosažení přesnějších hodnot útlumu na vyšších frekvencích lze připojit na konec kaskádního spojení další článek, jež by se staral o aproximaci hodnot útlumu vedení v tomto horním frekvenčním pásmu. Zde lze brát v úvahu dvě varianty:

• RC dolní propust (menší strmost útlumové charakteristiky na vysokých frekvencích)
• LC dolní propust (vyšší strmost na vyšších frekvencích)

Metoda stanovení parametrů (tj. hodnot součástek) umělého vedení je založena na snaze dosáhnout metodou nejmenších čtverců co nejlepší shody napětí na výstupní impedanci se stejnou hodnotou skutečného vedení (modelovaného podle BT#1). Nepřesnost použité metody je v předpokladu, že odchylka charakteristické impedance vedení od jeho skutečného zakončení bude mít za následek stejnou odchylku modulu útlumu u skutečného (modelovaného) a umělého vedení. Pro zjednodušení předpokládáme, v průběhu návrhu umělého vedení pro přípojky ADSL resp. ADSL2+, zakončující impedanci 100 Ω. Skutečnost, že v praxi je vedení buzeno z obou stran, vyžaduje jeho příčnou symetrizaci. Tu můžeme provést přidáním zrcadlově obráceného obvodu k původnímu umělému vedení. Je třeba ovšem vzít v potaz, že jsme zdvojnásobili nejen počet součástek, ale i řád jednotlivých útlumových článků. Proto stejných vlastností jako u nesymetrizovaného umělého vedení nedosáhneme ani prostým přepočtem hodnot součástek, ani jejich stanovením regresní analýzou. Umělé vedení je proto zapotřebí navrhnout znovu na základě zkušeností získaných při předchozích výpočtech, tj.:

• obvod bude navrhován jako symetrický od středu k okrajům
• útlumové články budou progresivní, tj. se bude zvyšovat jejich řád

Pro co možná nejmenší ovlivnění vstupní impedance je třeba obvod ještě modifikovat, a to přesunutím indukčností směrem ke středu obvodu. Dále je, vzhledem k aplikaci obvodu, také nutné obvod podélně symetrizovat tak, aby byl signál procházející jednou větví ovlivněn úplně stejně jako signál procházející větví druhou, stejně jako je tomu v případě skutečného vedení. Struktura umělého vedení respektující tyto úvahy je zobrazena na Obr. 3, kde uprostřed zapojení se nachází T článek 1. řádu, poté následují z obou stran útlumové články 1. řádu, které dohromady tvoří článek 2. řádu (jsou realizovány shodnými součástkami), na závěr je obvod na obou stranách doplněn o útlumové články 2. řádu, které dohromady tvoří článek 4. řádu.

Obr. 3 Symetrická varianta umělého vedení

Avšak model umělého vedení, který obsahuje indukčnosti, sice respektuje průběh útlumu s uspokojivou přesností až do vysokých frekvencí, nicméně vlastní indukčnosti se začnou negativně projevovat při zapojení obvodu do přenosové cesty s modemy ADSL. Modemy obsahují časové korektory TEQ (Time Domain Equalizer), jež zapojené indukčnosti natolik ovlivňují, že DSL spojení přes toto umělé vedení dosahuje značně nižších hodnot přenosových rychlostí než je tomu přes skutečné vedení odpovídající délky. Proto je nutné přece jen k pokrytí vyšších frekvencí využít dodatečných RC článků. Takováto struktura umělého vedení je uvedena na Obr. 4.

Obr. 4 Struktura umělého vedení bez indukčností

Tímto řešením samozřejmě nedosáhneme stejného průběhu jako v předchozím případě, nicméně pro aplikační účely navrhovaných umělých vedení je přesnost aproximace dostatečná i na vyšších frekvencích. Tato modifikace však přinesla již uspokojivé výsledky, které jsou patrné z průběhu útlumových charakteristik pro jednotlivé délky umělého vedení, jež jsou uvedeny na Obr. 5.

Obr. 5 Útlumové charakteristiky navržených umělých vedení pro přípojky ADSL

U skutečných přenosových vedení používaných v praxi se však uplatňují také tzv. přeslechové vazby neboli přeslechy. Přeslechy vznikají v důsledku nerovnováh kapacitního i induktivního charakteru mezi vodiči. Při zkoumání možností zanesení přeslechových vazeb do modulů umělých vedení, jsem se inspiroval kapacitním charakterem přeslechových vazeb mezi jednotlivými páry vedení. Z principiálního hlediska a za předpokladu využití frekvenčního oddělení směrů přenosu FDD (Frequency Division Duplex), jsem se zaměřil pouze na modelování přeslechů na vzdáleném konci FEXT (Far End Crosstalk), resp. na modelování jednotného útlumu přeslechu (XT), kde nerozlišuji vliv na blízkém či vzdáleném konci. Předpokladem se stala idea využití vazebních členů, které by propojovaly jednotlivá umělá vedení a simulovaly tak požadovaný průběh útlumu přeslechu mezi jednotlivými moduly (páry vedení). Jako vhodné řešení popsané situace se nejlépe jevil klasický RC derivační článek k němuž bylo nutné předřadit oddělující rezistor pro zajištění vysoké impedance vazebních členů. Přeslechové vazby se tak slučují na tzv. sumarizačním rezistoru (100 Ω), který je umístěn na sběrnici propojující jednotlivé moduly umělého vedení. Struktura vazebního členu je uvedena na Obr. 6.

Obr. 6 Symetrická struktura přeslechové vazby

Realizace a ověření vlastností modulu umělého vedení

Pro provedení analýzy navrženého umělého vedení, byl model vedení fyzicky realizován a podroben detailním měřením jednotlivých parametrů přenosových vedení. Součástí realizační fáze bylo stanovení hodnot součástek umělého vedení s vlastnostmi konkrétního symetrického páru zvolených délek. Pro co možná nejpřesnější komparaci modelů, byl zvolen typ metalického vedení, který je dostupný v prostředí laboratoře katedry telekomunikační techniky. Jedná se o místní čtyřkový kabel typu TCEPKPFLE 75x4x0,4 mm (Prakab). Realizovaný modul umělého vedení je uveden na Obr. 7.

Obr. 7 Konečná symetrická varianta umělého vedení délky 2 km

Umělá vedení byla navrhována pro jejich aplikaci v přenosové cestě přípojky ADSL resp. ADSL2+. Vzhledem k tomu, bylo také nutné provést analýzu vlastností přípravků zapojených mezi koncová zařízení přípojky ADSL2+. Změřené parametry jsou uvedeny v Tab. 1. Parametry umělého vedení odpovídají modelovaným parametrům (dle BT#1).

Tab. 1 Výsledky základní diagnostiky přípojky ADSL2+ na umělém a reálném vedení

Součástí analýzy bylo samozřejmě také srovnání změřených průběhů útlumových charakteristik s průběhy simulací a s průběhy parametrů reálných vedení, kde výsledky měření potvrdily předpoklady s velmi uspokojivou přesností. Na závěr byly také změřeny průběhy útlumu přeslechu mezi jednotlivými moduly UV, porovnání se simulacemi je uvedeno na Obr. 8, kde se při měření v oblasti okolo 100 dB začal již projevovat šum (viditelné zákmity), nicméně jak je vidět průběh odpovídá předpokladům.

Obr. 8 Měření a simulace útlumu přeslechu navržených vzorků (2,5 km)

Závěr

Byl proveden rozbor návrhu, simulací, realizace a měření vytvořených modulů umělých vedení. Dále jsem se v rozboru věnoval základním vlastnostem realizovaných přípravků v porovnání s teoretickými předpoklady. Moduly UV jsem doplnil o přeslechové vazby, simulující reálné podmínky na přenosových vedeních při nasazování digitálních účastnických přípojek ADSL v praxi. Vytvořené moduly byly úspěšně integrovány do laboratorních úloh na katedře telekomunikační techniky a prováděná měření potvrzují úspěšnost metodiky návrhu.

Příspěvek vznikl za podpory výzkumného záměru MSM6840770014 - Výzkum perspektivních informačních a komunikačních technologií.

Literatura

[1] Yoho, Jason J.: Physically-Based Realizable Modeling and Network Synthesis of Subscriber Loops Utilized in DSL Technology, Virginia Polytechnic Institute, 2001.
[2] Ikuma, T.: Model-Based Identification of POTS Local Loops for DSL Connectivity Prediction, Virginia Polytechnic Institute, 2001.
[3] ITU-T Recommendation G.996.1.: Test procedures for Digital Subscriber Line (DSL). International Telecommunication union (02/2001).
[4] Gagnaire M.: Broadband Local Loops for High-speed Internet Access, Artech House, Boston 2003.
[5] Vodrážka, J.: Přenosové systémy v přístupové síti, Vydavatelství ČVUT, Praha 2003.