Simulace rušivých vlivů na přístupových vedeních

Autor: J. Vodrážka <vodrazka(at)feld.cvut.cz>, Pracoviště: České vysoké učení technické v Praze, FEL, Téma: Digitální zpracování signálu, Vydáno dne: 26. 07. 2004

Koncepce generování rušení, zejména přeslechů od koexistujících koncových zařízení, pro testování vlastností xDSL systémů na metalických párech.

Pro nasazování systémů z rodiny xDSL na metalická vedení je třeba analyzovat dosažitelné parametry (zejména dosažitelnou přenosovou rychlost, překlenutelnou vzdálenost) v závislosti na vlastnostech přenosového prostředí. Prvním krokem je simulace systému i přenosového média jako celku. Druhým krokem je ověření parametrů reálných systémů v provozu, kde je velice obtížné navodit různé situace a kombinace potenciálních zdrojů rušení. Proto lze použít model přenosového prostředí, jehož chování se blíží v podstatných rysech definované metalické přípojce (přenosová funkce vedení) s definovaným rušením (superpozice různých zdrojů šumu). Následující odstavce pojednávají právě o simulaci rušení pro účely testování xDSL přenosových řetězců.

V konkrétních podmínkách se vyskytuje řada různých zdrojů rušení, které celkově určují skutečnou dosažitelnou přenosovou rychlost reálných systémů. U vhodně navržené přenosového řetězce se minimalizuje vliv vnitřních systémových rušení (bílý šum u pasivních i aktivních elektronických součástek). V případě, minimalizace systémových rušení je pak skutečná informační propustnost kanálu určena především těmito zdroji rušení:

Na následujícím obrázku je zobrazen obecný model šumového generátoru, který obsahuje dílčí bloky pro všechny uvažované typy rušení.

Generátor rušení 1

Obr.1 Principiální blokové schéma generátoru komplexního rušení

Generátory G1 a G2 poskytují signál s výkonovou spektrální hustotou (PSD) odpovídající vysílacím obvodům rušících systémů nasazených na stejném kabelu, a sice G1 pro systémy vysílající na tomtéž konci vedení a G2 pro systémy na opačném konci vedení vzhledem k bodu přenosového řetězce, do kterého generujeme rušení. Generátor G3 poskytuje rušení, které se indukuje do vedení ze silových rozvodů v důsledku nedokonalé symetrie obou vodičů páru oproti zemi. Parametr postihující uvedenou vazbu je útlum nesymetrie, označovaný též LCL (Longitindual Conversion Loss). Bílý šum Gausovkého charakteru, který reprezentuje šum vedení a předzesilovačů poskytuje generátor G4. Úroveň šumu odpovídá hodnotě –140 dBm/Hz. Vysokofrekvenční rušení je dvojího charakteru. Všechny digitální trakty by proto měly vyhovovat určité úrovni vysokofrekvenčního rušení, které je předepsáno normami pro elektromagnetickou kompatibilitu (EMC) jednotlivých zařízení. U vysokofrekvenčního rušení je kritická ta část rušení, která nám ovlivňuje přenášený signál (leží ve stejném frekvenčním pásmu). G5 poskytuje rušení na pozadí a G6 specifické nosné kmitočty odpovídající amatérskému vysílání v oblasti KV, které se projevuje rušivě pro systémy VDSL. Impulsní rušení z generátoru G7 je definováno standardními testovacími sekvencemi, pomocí nichž se zjišťuje odolnost proti shlukům chyb.

Z uvedeného výčtu typů rušení se blíže zaměřím na část, ve které se generují přeslechy na blízkém konci (NEXT), přeslechy na vzdáleném konci (FEXT). Přeslechy budou generovány pro různý počet a různé typy přenosových systémů, včetně jejich kombinací. Generovaný signál lze odvodit jednak z matematicky odvozené spektrální hustoty signálu pro náhodný informační signál, jednak ze spektrálních masek pro vysílací části příslušných systémů, které se nesmí na žádném kmitočtu překročit. Druhý způsob představuje pesimističtější variantu, která však zajišťuje určitou rezervu pro testování. Pro názornost je možno zakreslit jednotlivé typy rušení při znalosti spektrální hustoty výkonu rušícího signálu PSD (vyjádřeného maskou) takto:>

Generátor rušení 2

Obr. 2 Přeslechové rušení typu NEXT.

Generátor rušení 3

Obr. 3 Přeslechové rušení typu FEXT.

Přenosová funkce NEXT se modeluje závislostí výhradně na frekvenci s konstantou závislou na použitém kabelu, zatímco u FEXT figuruje ještě délka vedení a jeho přenosová funkce.

Simulace rušení

Celkové rušení na jenom páru více-párovém kabelu je možno získat ze schématicky naznačeného výpočtu:

Generátor rušení 4

První část reprezentuje PSD signálu na výstupu vysílače, určenou např. masku rušícího systému, která vyjadřuje očekávané úrovně signálu na rušícím páru a je funkcí frekvence. Druhá část představuje přenosovou funkci přeslechu a určuje o jaký typ rušení se jedná. Dosadí se zde výše uvedené výrazy pro NEXT či FEXT. Poslední část vztahu se vztahuje k počtu stejného typu rušících systémů, které jsou nasazeny na stejném více-párovém kabelu.

Pro simulaci spektrálních hustot a následně přeslechů byl použit program firmy The Math Works, Inc. MATLAB. Aby bylo možno generovat výsledný průběh rušení, je třeba z celkového rušení, které je získané ve frekvenční oblasti, vytvořit časový průběh. Pro převod je nutno použít inverzní Fourierovu transformaci (IFFT), která je implementována v programu Matlab.

Program v prostředí Matlab je schopen vygenerovat soubor odpovídající časovému průběhu definovaného rušení, přičemž záleží na zvolené vzorkovací frekvenci a odstupu spektrálních čar, protože výsledné rušení nebude spojité (náhodné), ale čárové (pseudonáhodné). Periodicky vysílaná data ze souboru jsou převedena do analogové podoby. Rušící signál je do vedení navázán pomocí vazebního členu, který odpovídá vazebnímu členu s vysokou výstupní impedancí dle doporučení ITU-T G.996.1, nebo s obdobnými vlastnostmi. Periodické vysílání vzorků D/A převod i další funkce lze realizovat např. pomocí karty s DSP (signálový procesor), což ovšem předpokládá vývoj odpovídajícího programového vybavení. V tomto případě byla použita hardwarová karta typu TMS320C6x fy. Texas Instruments, tzv. Evaluation Module (C6x EVM). Modul C6x EVM byl připojen přes PCI sběrnici v počítači typu PC pracujícím pod operačním systémem Windows 95. Programové vybavení bylo vyvinuto v programovacím jazyce C.

Pro generování rušení lze s výhodou využít i sériově vyráběných funkčních generátorů signálu, které umožňují generovat signál z posloupnosti vzorků uložených v paměti. Na pracovišti katedry telekomunikační techniky ČVUT FEL byl aplikován pro tyto účely programovatelný generátor funkcí Agilent 33250, který umožňuje (kromě generování běžných periodických průběhů) generování průběhů definovaných uživatelem přenosem dat vhodného formátu z PC. Pro přenos dat do generátoru slouží datové rozhraní podle doporučení ITU-T V.24/V.28, nebo sběrnice HP-IP.

Prakticky byla použita vzorkovací frekvence 4 MHz a odstup spektrálních čar 250 Hz, což odpovídá periodě opakovaní sekvence dat 4 ms při souboru obsahujícím 16000 vzorků. Přístroj Agilent 33250 umožní nahrát až čtyři různé průběhy v normovaném tvaru (hodnoty od –1 do 1), případně i v binárním tvaru a skutečná amplituda se zadává přímo na přístroji, podobně jako opakovací frekvence. Amplituda musí být zvýšena adekvátně útlumu vazebního členu na vedení.