Návrh rozbočovačů pro přípojky ADSL a VDSL

ADSL and VDSL splitters design

Abstract

Díky přípojkám xDSL lze výhodně využívat stávající metalické rozvody pro přenos dat vyššími rychlostmi, než tomu bylo před jejich zavedením. Zatím nejrozšířenější jsou přípojky ADSL (viz článek ADSL 1. až 3. část), které jako první z digitálních účastnických přípojek začaly využívat rozbočovače pro oddělení telefonních a datových signálů. Z této technologie vycházejí také přípojky VDSL (viz článek Rozšiřování pásma u přípojky VDSL), které poskytují uživatelům několikanásobné zvýšení přenosových rychlostí jak pro symetrický (stejné přenosové rychlosti pro oba směry přenosu), tak pro nesymetrický (vyšší přenosová rychlost směrem k účastníkovi) způsob přenosu a to v hodnotách až 34 / 34 Mbit/s nebo 52 / 6,4 Mbit/s. Tato výhoda je bohužel zaplacena nižšími překlenutelnými vzdálenostmi, které jsou v tomto případě pouze v řádech stovek metrů. Služby VDSL nejsou bohužel zatím v České republice nabízeny, ale doufejme, že se tento stav brzy změní.

Přípojka VDSL vychází ze stejné koncepce jako ADSL, a proto je třeba i zde použít zařízení oddělující signály jednotlivých služeb. Toto oddělení je třeba provést jak na straně účastníka, tak na straně poskytovatele, kde se mimo jiné sdružují signály od jednotlivých přípojek v zařízení, které se nazývá DSLAM (účastnický multiplexer). Obecná problematika rozbočovačů včetně jejich návrhu je ve své podstatě obdobná jak pro přípojky ADSL, tak pro přípojky VDSL. V textu je situace popisována pro VDSL rozbočovače a pokud není uvedeno jinak, jsou uvedené informace platné také pro ADSL rozbočovače. Pro představu je na následujícím obrázku znázorněno obecné zapojení ADSL / VDSL přípojky.

Obr. 1. Uspořádání přípojky ADSL / VDSL

Struktura a funkce rozbočovače

Základní funkcí rozbočovače je oddělení signálů příslušných služeb koexistujících na jednom páru tzn. nízkofrekvenčních POTS / ISDN signálů a vysokofrekvenčních ADSL / VDSL signálů. Dále chrání POTS / ISDN proti vysokým hodnotám energie na vyšších frekvencích, používaných pro přenos ADSL / VDSL signálů. Stejně tak chrání ADSL / VDSL od přechodových jevů, které se vyskytují při signalizaci (účastnická volba, vyzvánění atd.), či při změnách operačního stavu telefonu (vyvěšení, zavěšení).

Obr. 2. Struktura rozbočovače

Rozbočovač je tříportové zařízení, jehož struktura je znázorněna na obr. 2. Je tvořen dolní a horní propustí, které jsou navzájem paralelně propojeny. Port dolní propusti je připojený k telefonnímu přístroji uživatele a nazývá se TELE port. Port horní propusti je připojený k xDSL modemu a nazývá se DSL port. Paralelně spojené porty slouží k navázání na vedení (LINE port). Předpokládá se, že oba filtry jsou ve své podstatě pasivní, z důvodu jednoduchosti, vyvarování se komplikací s odběrem energie a zabezpečení funkčnosti v případě selhání napájení. Dnes se uvažuje i o použití aktivních rozbočovačů, ale v případě VDSL je tato možnost omezena pro nasazení pouze na straně poskytovatele, z důvodu nutnosti napájení rozbočovače. Pasivní filtr může používat jeden ze dvou způsobů omezení přenosu v jeho nepropustném pásmu. Buď se na jeho vstupu chová jako obvod rozpojený nebo jako obvod zkratovaný. U LINE portu se každý z filtrů musí chovat jako rozpojený obvod, v jeho příslušném nepropustném pásmu, aby bylo zajištěno impedanční přizpůsobení. To znamená, že dolní propust musí začínat sériovou cívkou a horní propust sériovým kondenzátorem. Je možné použít druhý přístup, ve kterém je LINE port vytvořený ze sériového spojení portu dolní propusti a portu horní propusti. V tomto případě se filtry musí chovat jako zkratovaný obvod, v jejich nepropustných pásmech, takže dolní propust by začínala paralelním kondenzátorem. Toto uspořádání je nevhodné z důvodu obtížného získání dobré rovnováhy proti zemi.

Rozbočovač také musí poskytovat účinné potlačení souhlasného i nesouhlasného rušení. Jedna z možností potlačení souhlasného rušení, vhodná pro dolní propust, je zařazení souhlasné cívky do obvodu dolní propusti. Horní propust potlačuje souhlasné rušení vnitřním transformátorem, který nepropouští stejnosměrné složky.

V praxi může existovat několik různých zapojení a umístění dolní a horní propusti. Obě části mohou být implementovány jak vnitřně (v modemu) tak externě (v rozbočovači). Obecně lze uvažovat o čtyřech typech zapojení

• Rozbočovač obsahuje pouze DP. HP je umístěna v modemu.
• Obdoba předchozí varianty doplněná o oddělovací kondenzátory v rozbočovači, které chrání POTS / ISDN před stejnosměrnou složkou, jejich přítomnost je volitelná.
• Plně interní rozbočovač - DP i HP jsou umístěny v modemu.
• Plně externí rozbočovač - DP i HP jsou umístěny v rozbočovači.

Návrh rozbočovače

Pokud chceme navrhovat rozbočovač je naším prvním krokem stanovení požadavků, kterým má dané zapojení vyhovovat (viz též článek Rozbočovače pro přípojky VDSL). Na začátku návrhu si musíme stanovit frekvenční pásmo, v kterém má náš rozbočovač pracovat tzn. vymezíme si hraniční kmitočty jak pro POTS / ISDN pásmo, tak pro ADSL / VDSL pásmo. Dále nás zajímají útlumové požadavky (vložný útlum a útlum odrazu) v těchto kmitočtových pásmech, ty nalezneme v doporučeních (ITU-T, ETSI). Konkrétní požadavky se pro přípojky ADSL a VDSL liší a jsou uvedeny v samostatném článku, který se věnuje právě této problematice. Následujícím krokem je oddělený návrh filtru typu DP a HP, které však spolu svými mezními hodnotami úzce souvisí. Obecný postup návrhu je pro oba typy filtrů až na několik odlišností společný. Pro návrh filtrů lze použít katalog nebo návrhový program (NAF, SYNTFIL). Proceduru návrhu lze rozdělit na operace, které jsou znázorněny následujícím diagramem.

Obr. 3. Postup návrhu filtru

Stanovení požadavků

Požadavky, jež jsme si na začátku stanovili musíme nyní převést na parametry tolerančního schématu filtru. Pro většinu hodnot to neznamená sebemenší změnu, nicméně nejdůležitější hodnoty je třeba přepočítat. Jedná se o přepočet zadaného útlumu odrazu na útlum propustného pásma filtru. Tento přepočet lze provést následujícím vzorcem podle literatury [3] :

(1)

Touto úpravou zpřísníme přípustné zvlnění v daném propustném pásmu, kde bychom jinak používali hodnotu vložného útlumu. Jak bylo naznačeno, stanovením požadavků pro návrh filtru je myšleno určení parametrů tolerančního schématu, které by obecně mohlo pro dolní propust vypadat následovně.

Obr. 4. Toleranční pole dolní propusti

Základními údaji tolerančního pole jsou mezní frekvence propustného a nepropustného pásma a mezní hodnoty útlumů v těchto pásmech. Frekvence volíme podle pracovního pásma rozbočovače, hodnotu útlumu v nepropustném pásmu určíme dle doporučení a metoda výpočtu útlumu propustného pásma byla již popsána výše (1). Určení parametrů tolerančního schématu pro filtr typu horní propust je totožné, pouze jsou zaměněny hodnoty parametrů pro propustné a nepropustné pásmo s přihlédnutím na hodnoty, které jsou uvedeny v doporučení.

Volba aproximace

Nyní máme zadáno toleranční pole filtru a je na řadě volba aproximační funkce, která bude co nejlépe vyhovovat našim požadavkům. Důležitým faktorem je zde výsledný řád filtru, podle něhož se určuje složitost zapojení. Snažíme se tedy o navržení co nejmenšího řádu filtru, ale nesmíme zapomenout na splnění zadaných požadavků, mezi které počítáme také skupinové zpoždění. Existuje celá řada aproximačních funkcí poskytujících různé vlastnosti, bohužel nelze vždy splnit vše, co si přejeme v plné míře. Například požadavky na strmost filtru a skupinové zpoždění jdou proti sobě, proto je nutno většinou přijmout určitý kompromis mezi splněním těchto požadavků a složitostí (řádem) filtru. Strmost filtru je jednou z nejdůležitějších vlastností filtru, jedná se o rychlost přechodu z propustného do nepropustného pásma (či naopak). Pokud tedy uvažujeme zadané hodnoty útlumů (dle doporučení), pak nám tato strmost závisí pouze na hraničních kmitočtech, které si zvolíme dle pracovního pásma rozbočovače. Z toho vyplývá, že pokud bychom chtěli pracovní pásmo VDSL již od mezních 25 kHz, bylo by za potřebí mnohem strmějšího filtru než v případě, kdybychom uvažovali koexistenci VDSL s ADSL a hraniční kmitočet by se pohyboval nad 1.1 MHz. Samozřejmě zde hraje svou roli řád filtru. Oproti tomu musíme také dbát na dodržení hraničních mezí pro hodnoty skupinového zpoždění a to nám nedovoluje používat ve všech případech jednotně nejstrmější druhy aproximací. Pokud bychom si chtěli sestavit jakousi stupnici od 1 do 5 podle úrovně strmosti, pro hodnoty skupinového zpoždění by tato stupnice měla v podstatě opačný průběh. Vždy proto záleží na konkrétním případu a zkušenostech návrháře, jakou aproximační úlohu zvolí. Nebudou zde popsány vlastnosti všech aproximačních úloh, ale pouze ty, které lze bez problémů použít pro návrh rozbočovačů.

Pro návrh rozbočovače můžeme uvažovat pouze takové typy aproximačních úloh, které umožňují návrh se shodnými hodnotami zakončujících impedancí (např.135 Ω) a navíc pouze pro sudé stupně přenosových funkcí, jinak by návrh nemohl být úspěšný. První z možných variant je použití tzv. Inverzní Chebychevovy aproximace, která vykazuje stejné potlačení přenosu a strmost jako normální Chebychevova aproximace, ale má zvlnění místo v propustném pásmu v pásmu nepropustném a vykazuje lepší fázové vlastnosti. Použití této aproximace pro shodné zakončující impedance je možné až po její transformaci na tzv. variantu B. Další možností je použití tzv. Cauerovy aproximační úlohy, která umožňuje dosáhnout nejstrmějších modulových charakteristik v přechodovém pásmu a použití nejnižšího řádu filtru, ale bohužel má nejméně lineární fázovou charakteristiku s odpovídajícími dopady na průběh skupinového zpoždění. Také zde je nutné použít transformovanou variantu a to variantu C. Jistou variantu nám přináší také normální Chebychevova aproximační úloha, která po transformaci umožňuje návrh pro shodné zakončující impedance. Tato varianta již není nijak označována a většina katalogů ani návrhových programů ji neumožňuje, nicméně je velmi výhodná pro navrhování filtrů typu HP.

Důležitým orientačním hlediskem jsou maximální hodnoty činitelů jakosti Q, které souvisejí s nelinearitou fázové charakteristiky a též vyjadřují nároky na realizaci, jak z hlediska potřebného činitele jakosti použitých obvodů a součástek, tak i z hlediska potřebné tolerance prvků. Tyto nároky na realizaci stoupají s rostoucí hodnotou Q, přičemž obě hlediska do určité míry závisí také na typu realizace.

Realizace filtru

Následující kroky návrhu se již týkají realizace navrženého filtru. Pro rozbočovače, které jsou realizovány paralelním spojením filtrů typu DP a HP je nutné, aby dolní propust začínala sériovou cívkou a horní propust sériovým kondenzátorem. Z tohoto požadavku nám vycházejí také jednotlivé typy zapojení filtrů, kde tedy dolní propust bude v zapojení typu „Π“ a horní propust v zapojení typu „T“.

V této fázi návrhu je nutné zkontrolovat hodnoty navržených součástek, jelikož je možné, že zvolený typ aproximace nám vede na nerealizovatelné hodnoty součástek. Pokud se tak stane je nutno modifikovat návrh filtru, ať už provedením úprav ve výsledném zapojení, či návratem k volbě aproximační úlohy nebo dokonce zadáním upravených hodnot tolerančního schématu. Nerealizovatelnými hodnotami součástek můžeme rozumět úplně nesmyslné hodnoty, nedostupné hodnoty nebo nevhodné hodnoty cívek a kondenzátorů, které se vzájemně ovlivňují (vždy by měl být dodržen rozsah šesti řádů mezi hodnotou cívky a kondenzátoru, např. [nF] by měly odpovídat [mH]).

Důležitým faktorem je také již zmíněný činitel jakosti, který nám ovlivňuje tvar modulové charakteristiky. Úzce souvisí s parazitními ztrátami jednotlivých stavebních prvků. Největší ztráty vykazují reálné cívky, proto se často oproti nim ztráty v kondenzátorech zanedbávají. Ztráty reálných prvků poněkud mění koeficienty výsledné přenosové funkce filtru, čímž dochází k určité změně přenosových charakteristik reálného filtru oproti aproximované funkci. Modulová přenosová charakteristika je nejvíce ovlivňována v oblasti mezi propustným a nepropustným pásmem. Největší citlivost na nastavení a výsledné parametry filtru vykazují součástky sériových a paralelních rezonančních obvodů. Abychom minimalizovali ztráty, používáme jako stavební prvky filtrů kvalitní kondenzátory a zejména cívky se snažíme realizovat tak, aby měly pokud možno co největší činitel jakosti Q. Při skutečné stavbě navrženého filtru se musí počítat s tím, že se nepodaří přesně dodržet vypočítané hodnoty jednotlivých součástek. Kromě toho je potřeba uvážit i změny hodnot prvků vlivem teploty, stárnutí, změny zatížení apod. Proto je třeba sledovat, jak se projeví změny hodnoty určitého prvku na celou charakteristiku filtru a v jakém rozmezí je nutno parametry prvku udržet, aby přenosová charakteristika nevybočila z předem určeného tolerančního rozmezí. Všechny tyto vlivy je třeba ověřovat, případně odstraňovat, k čemuž slouží metody optimalizace návrhu, které by měly být prováděny průběžně během návrhu filtru.

Dokončení návrhu

Po dokončení návrhů obou typů filtrů se vrátíme k vlastnímu návrhu rozbočovače, kde je nutno se ještě zaměřit na nežádoucí vlivy, jež by nám takto realizovaný rozbočovač mohly ovlivňovat. Jedním z těchto faktorů je tzv. souhlasné rušení. Toto rušení je nutno eliminovat zařazením cívky proti souhlasnému rušení (CMC), která toto rušení efektivně potlačuje. Pro její návrh lze použít návrhové programy dostupné volně na internetu [7]. Cívku můžeme zařadit do blízkosti TELE portu či LINE portu, z principu je účinné potlačení zaručeno v obou případech.

Navržená struktura filtru je v nesymetrickém tvaru a je zapotřebí ji převést na zapojení symetrické. Postup symetrizace je dostupný téměř v každé literatuře zabývající se teorií filtrů, a proto zde není uveden. Pouze bych poznamenal, že v případě kondenzátorů se jejich hodnota v podélných větvích zdvojnásobí, kdežto u cívek klesne jejich hodnota na polovinu. V podélných větvích se nám nyní vyskytují cívky se shodnou hodnotou a je výhodné je realizovat transformátory. Při převodu cívek na hodnoty primárních a sekundárních vinutí transformátorů je třeba počítat se základními vztahy pro souhlasné a nesouhlasné transformátory. Před realizací výsledného rozbočovače je nutno ještě upravit hodnoty součástek podle jejich dostupnosti na trhu. V případě kondenzátorů bych doporučoval jejich paralelní spojování za účelem dosažení požadované hodnoty, jelikož sériové spojení kondenzátorů přináší parazitní vazby, kterým se chceme vyvarovat. U cívek se můžeme pokusit zaokrouhlením dostat na dostupnou hodnotu, nicméně zde se předpokládá, že danou hodnotu budeme schopni objednat, či vyrobit.

Závěr

Rozbočovače jsou dnes často nedílnou součástí modemů ADSL / VDSL. V případě, kdy však chceme laborovat s jejich zapojeními, či pouze zkoumat jejich vlastnosti, naskýtá se problém s jejich pevným zabudováním. Pro výzkumné účely a další operace je vyžadován rozbočovač jako samostatné zařízení, které můžeme zakončovat libovolnými impedancemi zadanými pro jednotlivá měření. Tento text měl čtenáři poskytnout ucelený přehled na problematiku rozbočovačů a měl by usnadnit návrh rozbočovače. Některé problémy byly značně zjednodušeny, jelikož zasahují do tématicky odlišných oblastí. Pro doplnění informací doporučuji přečtení volně navazujícího článku Rozbočovače pro přípojky VDSL, kde jsou zveřejněny mimo jiné také výsledky návrhu rozbočovače pro konkrétní podmínky.

Tento příspěvek vznikl za podpory GAČR v rámci projektu 102/03/0434 „Omezující faktory při širokopásmovém přenosu signálu po metalických párech a vzájemná koexistence s dalšími systémy“.

Literatura

[1] Vodrážka, J.; Havlan, M. : Přístupové přenosové systémy – Cvičení Vydavatelství ČVUT. Praha 2003
[2] Cook, J. : Splitter for VDSL BT Labotatories. 1996
[3] Martínek, P.; Boreš, P.; Hospodka, J. : Elektrické filtry Vydavatelství ČVUT. Praha 2003
[4] Hájek, K.; Sedláček, J.: Kmitočtové filtry Vydavatelství BEN. Praha 2002
[5] Program pro syntézu elektrických filtrů: Syntfil http://obvody.feld.cvut.cz/syntfil/
[6] Program pro návrh analogových filtrů: NAF 1.6. demo http://hippo.feld.cvut.cz/~bores/prog/htmt/htm/naf.htm
[7] Program pro návrh CMC: Magnetics common mode inductor design http://www.mag-inc.com/software/cmf.asp