Spektrální kompatibilita digitálních přenosových systémů pro účastnická metalická vedení xDSL

Autor: J. Vodrážka <vodrazka(at)feld.cvut.cz>, Pracoviště: České vysoké učení technické v Praze, FEL, Téma: xDSL, Vydáno dne: 28. 07. 2004

Rozbor spekter linkových signálů u systémů ISDN-BRA, HDSL, SDSL, ISDN-PRA, ADSL, VDSL a jejich vzájemné koexistence v přístupové síti.

Obsah

Základní přípojka ISDN (ISDN-BRA)
High bit rate Digital Subscriber Line (HDSL)
Symmetrical Digital Subscriber Line (SDSL)
Primární přípojka ISDN (ISDN-PRA) s kódem HDB3
Asymmetric Digital Subscriber Line (ADSL)
Very high speed Digital Subscriber Line (VDSL)
Vzájemná koexistence systémů

Existují různé druhy digitálních přenosových systémů určených pro účastnická metalická vedení, která se původně používala pouze pro přenos telefonních signálů. Protože tyto systémy mohou být nasazeny společně na jednom mnohopárovém kabelu, je třeba zkoumat možnosti jejich vzájemné koexistence. Z toho důvodu je nutné znát základní parametry jednotlivých systémů xDSL, mezi které patří zejména použité frekvenční pásmo a jeho šířka, typ modulace (pokud daný systém pracuje v přeloženém pásmu) nebo linkový kód (pokud systém pracuje v základním pásmu) a z nich vyplývající vysílací výkonová spektrální hustota PSD (Power Spectral Density).

Výkonová spektrální hustota (PSD) je veličina, která udává rozložení výkonu při přenosu informačních signálů s náhodným charakterem, jimž odpovídá spojité frekvenční spektrum. Jednotkou PSD je W/Hz nebo při logaritmickém vyjádření dBm/Hz. Celkový výkon přenášený v daném frekvenčním pásmu je dán integrálem výkonové spektrální hustoty (PSD).

Základní přípojka ISDN (ISDN-BRA)

Jedná se o symetrický přenosový systém pracující v základním pásmu. Pro oddělení směrů přenosu se používá metoda potlačení ozvěny. Přenosová rychlost 128 kbit/s v obou směrech přenosu je pevně dána a není ji možné měnit. U nás používané přípojky ISDN-BRA používají linkový kód 2B1Q, který sdružuje vždy 2 bity do jednoho symbolu zvaného dibit. Každý symbol může nabývat jednoho ze čtyř stavů, které jsou reprezentovány napěťovými úrovněmi -3, -1, +1 a +3 V. Modulační rychlost je 80 kbaud.

Vysílací výkonovou spektrální hustotu (PSD) udává následující vztah, který je typickou ukázkou spektra digitálního signálu v základním pásmu s poklesem k nule v celistvých násobcích frekvence f0 odpovídající modulační rychlosti:

spect 1

Poslední člen výrazu s mezní frekvencí f3dB představuje dolní propust a charakterizuje potlačení vyšších kmitočtových složek před vysíláním digitálního signálu na vedení. Dále následuje grafické znázornění vysílací výkonové spektrální hustoty (PSD) s typickým průběhem funkce typu sin2x /x2

spect 2

High bit rate Digital Subscriber Line (HDSL)

HDSL je symetrický přenosový systém pracující v základním pásmu, který stejně jako ISDN-BRA používá linkový kód 2B1Q se stejnými napěťovými úrovněmi. Přenos je realizován po dvou nebo po třech metalických párech (u pozdější verze i po jednom páru), přičemž na všech párech probíhá duplexní přenos. Přenosová rychlost na účastnickém rozhraní je fixní a má nejčastěji hodnotu 2,048 Mbit/s (E1) v obou směrech přenosu, obecně jsou možné násobky N x 64 kbit/s. Díky mapování do kontejneru C-12 a uložení do příspěvkové jednotky TU-12 (používané u SDH) naroste přenosová rychlost na 2,304 Mbit/s. Při přenosu po dvou párech je přenosová rychlost na každém páru 1168 kbit/s, čemuž odpovídá modulační rychlost 584 kbaud. V případě přenosu po třech párech je přenosová rychlost každého páru 784 kbit/s a odpovídající modulační rychlost 392 kbaud. Pro oddělení směrů přenosu se používá metoda potlačení ozvěny.

Vysílací výkonová spektrální hustota (PSD) systému HDSL provozovaného na třech párech je dána následujícím vztahem

spect 3

Vzorec pro PSD systémů HDSL provozovaných na jednom nebo na dvou párech je stejný, liší se pouze hodnoty mezních frekvencí. Grafické vyjádření PSD všech tří variant systému HDSL je znázorněno na obrázku

spect 4

Symmetrical Digital Subscriber Line (SDSL)

SDSL je dalším stupněm vývoje HDSL, přičemž počet stavů se zvyšuje na 8 případně 16 pomocí pulsně amplitudové modulace PAM-8, PAM-16. Umožňuje symetrický plně duplexní digitální přenos s přenosovými rychlostmi od 160 kbit/s až do 2,304 Mbit/s. SDSL modemy jsou konstruovány tak, aby pracovaly na stejné, předem dané přenosové rychlosti. Na rozdíl od HDSL je navíc uplatněna metoda redukce vysílacího výkonu (Power-back-off) pro modemy umístěné blíže k ústředně.

Průběh spektrální hustoty výkonu je závislý na zvolené přenosové rychlosti a výrazným rysem je podstatná redukce vyšších oblastí spektra nad f0. Následující obrázek uvádí spektra signálů SDSL pro několik přenosových rychlostí bez uplatnění redukce vysílacího výkonu.

spect 5

Primární přípojka ISDN (ISDN-PRA) s kódem HDB3

Jedná se o symetrický přenos systém v základním pásmu. Pro každý směr přenosu se používá zvláštní metalický pár. Přenosová rychlost je 2,048 Mbit/s odpovídající toku PCM 1. řádu E1. Evropská verze ISDN-PRA používá linkový kód HDB3, jehož výkonovou spektrální hustotu (PSD) udává následující vztah a grafické vyjádření

spect 7
spect 6

Asymmetric Digital Subscriber Line (ADSL)

Jak už z názvu vyplývá, systém ADSL je nesymetrický přenosový systém. Ve směru od účastníka k poskytovateli (upstream) je možná přenosová rychlost přibližně 800 kbit/s, zatímco ve směru od poskytovatele k účastníkovi (downstream) je možná přenosová rychlost až 8 Mbit/s. Přenosové rychlosti nejsou pevně dány a závisí na řadě omezujících faktorů, kterými jsou např. typ použitého kabelu (jeho útlum), velikost rušení a tím i na vzdálenosti, kterou je třeba překlenout.

Systém ADSL využívá frekvenční pásmo 25 kHz až 1,1 MHz. Nepracuje tedy v základním pásmu, nýbrž v pásmu přeloženém. Z toho důvodu je možné na stejném páru současně provozovat kromě systému ADSL také analogovou telefonní přípojku nebo systém ISDN-BRA. V případě ISDN-BRA je ovšem nutné posunout dolní mezní frekvenci pásma užívaného pro ADSL směrem k vyšším frekvencím (138 kHz).

Pro oddělení směrů přenosu se využívá buď metoda potlačení ozvěny (EC – Echo Cancelation), nebo metoda frekvenčního dělení (FDM – Frequency Division Multiplex, též FDD). Při použití metody frekvenčního dělení je pro každý směr přenosu vyhrazena separátní část frekvenčního pásma a nedochází tak k vzájemnému rušení mezi dopředným a zpětným kanálem, takže se neprojevuje negativně přeslech na blízkém konci NEXT.

Podle doporučení ITU-T G.992.1 se používá DMT (Discrete Multi-Tone) modulace s více nosnými (max. 256). Přenosový kanál je ve frekvenční oblasti rozdělen do subkanálů o šířce 4,3125 kHz, přičemž každému subkanálu odpovídá příslušná nosná frekvence. V každém subkanálu se přenáší dílčí datový tok, kterým se moduluje příslušná nosná frekvence pomocí kvadraturní amplitudové modulace (QAM).

Obsazení spektra u ADSL ukazuje následující obrázek

spect 8

Pro odlehčenou variantu ADSL Lite podle doporučení ITU-T G.992.1 se používá poloviční horní mezní frekvence pásma a max. 128 nosných.

U přenosového řetězce ADSL je nutno rozlišovat dva druhy koncových zařízení. Jedno je umístěno v přípojném bodě poskytovatele služeb (ústředna) a označuje se ATU-C (ADSL Terminal Unit – Central Unit) a druhé zařízení je umístěno na straně účastníka a označuje se ATU-R (ADSL Terminal Unit – Remote). Každé zařízení vysílá jiné spektrum linkového signálu v souladu s předepsaným kmitočtovým plánem. V obou případech bude výsledné spektrum dáno superpozicí dílčích subkanálů, takže bude zabírat rovnoměrně vyhrazené kmitočtové pásmo. Charakter spektra udávají spektrální masky PSD, dané v doporučeních ITU-T.

Pro ATU – C platí vztah pro PSD signálu ADSL:

spect 9

Pro přenos od poskytovatele služeb k účastníkovi (downstream) se využívají prakticky při frekvenčním dělení kanálů nosné od 33. (f = 142,3125 kHz) do 255. (f = 1 099,6875 kHz).

PSD maska pro zařízení ATU–C je zobrazena na následujícím obrázku

spect 10

Pro ATU – C platí vztah pro PSD signálu ADSL:

spect 11

Pro přenos od účastníka k poskytovateli služby (upstream) se využívá nosných od 8. do 32.

PSD maska pro zařízení ATU–R je zobrazena na následujícím obrázku

spect 12

Very high speed Digital Subscriber Line (VDSL)

VDSL dokáže poskytnout nejvyšší přenosové rychlosti a může pracovat v symetrickém i nesymetrickém režimu, přičemž je v podstatě dalším vývojovým stupněm ADSL. V symetrickém režimu je maximální uvažovaná přenosová rychlost až 26 Mbit/s v obou směrech, v nesymetrickém režimu potom až 52 Mbit/s ve směru od poskytovatele k účastníkovi (downstream) a 6,4 Mbit/s ve směru od účastníka k poskytovateli (upstream). Přenosová rychlost není pevně dána a stejně jako u ADSL závisí na řadě faktorů (např. na útlumu vedení).

Systém VDSL pracuje v přeloženém pásmu v rozsahu frekvencí mezi 138 kHz až 30 MHz a je tedy možný současný přenos analogového telefonního signálu nebo signálu ISDN-BRA. Pro oddělení směrů přenosu se u VDSL používá metoda frekvenčního dělení FDD (Frequency Division Duplex). Systém VDSL může používat jednu z následujících modulací:

DMT má shodnou šířku subkanálů jako u ADSL, jejichž celkový počet je max. 16x256.

Možné rozdělení frekvenčního pásma dle ETSI při použití metody FDD znázorňuje následující obrázek

spect 13

Podle přenosové rychlosti a symetrie přenosu se vybírají příslušná pásma. Mezi pásmy jsou vynechány mezery 175 kHz, Vysílací výkon je limitován spektrální hustotou výkonu v celém rozsahu kmitočtů –60 dBm/Hz a činí max. 11,5 dBm. Tato hodnota může být ovšem nižší v důsledku omezování vysílacího výkonu (Power-Back-Off), které se používá podobně jako u SDSL proto, aby se omezilo vzájemné rušení jednotlivých systémů VDSL, případně rušení systémů ADSL nasazených na stejném kabelu.

Vzájemná koexistence systémů

Na místních kabelech v přístupových sítích se obecně provozují systémy s různými linkovými signály. Jejich spektrální povahou bude determinováno vzájemné rušení přeslechovými vazbami. Pokud vynásobíme spektrální hustotu výkonu (PSD) užitečného signálu Ss(f) přenosovou funkcí přeslechu, dostaneme funkci spektrální hustoty přeslechového signálu NXT(f), představující jednu ze složek celkového šumu.

spect 14

Ss(f) je spektrální hustota výkonu užitečného signálu
AXT(f) je útlum přeslechu

Vliv přeslechů z koexistujících systémů je možné rozdělit následujícím způsobem:

Vzájemné ovlivňování systémů stejného typu:

Vzájemné ovlivňování systémů různého typu:

Hodnoty přeslechu se liší v závislosti na vzájemné poloze párů. Nejsilnější jsou vazby mezi páry téže čtyřky a mezi páry sousedních čtyřek. Nejslabší vazby jsou mezi páry ve vzdálených podskupinách. Výběr párů s nižšími přeslechovými vazbami v kabelech se stává problematický až neřešitelný s nárůstem širokopásmových digitálních systémů. Navíc při nasazení xDSL se jedná většinou nikoli o přidání systému na volný pár, ale o rozšíření existující přípojky, která má svou polohu v kabelu.

Interakce mezi systémy na místních kabelech v přístupové síti:

Vzájemný vztah spekter uvažovaných typů signálů ukazuje následující obrázek, ze kterého vyplývají potenciální problémy při koexistenci systémů v oblasti frekvenčního překryvu spekter:

spect 15

Vedle přeslechových rušení se uvažuje šum na pozadí jako rovnoměrně rozložený bílý šum v celém pásmu kmitočtů s hustotou –140 dBm/Hz označovaný AWGN (Additive White Gaussian Noise). Superpozice AWGN, přeslechového rušení, příp. radiového rušení představuje celkový šum, který se projevuje na vstupu přijímačů systémů xDSL. Základním parametrem pro analýzu chybovosti při přenosu digitálního signálu a dosažitelné přenosové rychlosti je pak odstup signálu od šumu SNR (Signal-Noise Ratio).