Rozbočovače pro přípojky VDSL

VDSL splitters

Abstract

Přípojky VDSL jako nastupující generace xDSL přípojek přináší mnohé odlišnosti oproti svému předchůdci - ADSL přípojkám. V mnoha dostupných článcích či dokumentech lze tyto informace získat, a proto přípojky VDSL nebudou v tomto textu popisovány (viz článek Rozšiřování pásma u přípojky VDSL, kde jsou mimo jiné uvedena kmitočtová pásma pro přípojky VDSL spolu se související problematikou). Společným rysem VDSL přípojek a ADSL přípojek je přítomnost rozbočovače jako oddělujícího zařízení pro jednotlivé služby. Základní principy o funkcích rozbočovačů a jejich struktuře lze nalézt v článku "Návrh rozbočovačů pro přípojky ADSL a VDSL", kde jsem také popsal jednotlivé kroky při návrhu těchto zařízení. Zde se zaměříme na parametry, které se u rozbočovačů považují za nejdůležitější a stanovíme si požadavky, kterým je nutno vyhovět pro jejich správnou funkci.

Požadavky na rozbočovač

Pokud se zaměříme na frekvenční pásma signálů jednotlivých služeb můžeme konstatovat, že požadavek na dosah umisťuje hranici použitelné šířky pásma k hodnotě 12 MHz (u VDSL2 až 30 MHz), nad kterou bude kanál jednoduše vykazovat příliš veliký útlum. To nám stanovuje horní mez šířky pásma VDSL - f_H. Nejužitečnější část kanálu je v oblasti nízkých frekvencí. Spektrum VDSL signálů by proto mělo začínat nejníže, jak jen to je možné vzhledem k návrhu rozbočovače, což odpovídá frekvenci - f_L. Je žádoucí, aby dolní pásmo rozbočovače propustilo jak signál analogové telefonní  přípojky (POTS), tak signály základní přípojky ISDN. Z toho vyplývá určitá minimální frekvence dolního propustného pásma - f_I, znázorněno na obr. 1.

Obr. 1. Hraniční kmitočty frekvenčního pásma

Pro dosažení malého, jednoduchého a pasivního rozbočovače je třeba udržovat široké tolerance šířky pásma pro telefonní a ISDN-BA systémy a mírné přechodové pásmo. Požadavky na rozbočovače lze nalézt v doporučeních ITU-T či ETSI, níže je pro jednoduchost uveden pouze jakýsi zobecněný přehled požadavků.

Požadavky na pásmo POTS / ISDN

Telefonní požadavky pro VDSL rozbočovač jsou méně přísné než v případě ADSL. Jedná se o pásmo 200 Hz až 4 kHz. V případě ISDN jde o pásmo od cca 1 kHz do 40 – 100 kHz (v našem případě uvažujeme horní mez - f_I).

• Pro vložný útlum mezi TELE a LINE portem : A_VL < ± 0,5 dB.
• Pro útlum odrazu na TELE, LINE portu : A_R > 15 dB.

Požadavky na pásmo VDSL

Zde není pevně dán spodní kmitočet, od kterého by měly být signály propouštěny, jelikož velice záleží na umístění VDSL (rozvaděč, ústředna). Např. při umístění v místě rozvaděče si musíme dát pozor, zda volbou spodního kmitočtu neporušíme spektrální kompatibilitu s ADSL, při možné koexistenci těchto služeb. V takovém případě začíná pásmo VDSL od cca 900kHz.  Uvažujeme kmitočtové pásmo od f_L do f_H.

• Pro vložný útlum mezi LINE a VDSL portem : A_VL < ± 0,5 dB.
• Pro útlum odrazu na LINE portu : A_R > 12 dB.
• Potlačení mezi TELE a VDSL portem by mělo být > 70 dB, s menším snížením na 55 dB v přechodovém pásmu.

Další požadavky

Jako doplňující požadavky se definují:

• Potlačení souhlasného rušení mezi TELE a LINE portem > 35 dB v pásmu od f_L do f_H.
• Útlum nesymetrie LINE portu > 40 dB od 300 Hz do f_H.
• Stejnosměrný odpor mezi TELE a LINE portem < 25 Ω

V doporučeních jako jsou mezinárodní ITU-T G.993.1 či evropské ETSI TS 952-2, jsou tyto požadavky přesně definovány. Pro jednotlivé varianty rozbočovačů v nich nalezneme i další důležité parametry jako je skupinové zpoždění atd.

Referenční zakončující impedance jednotlivých portů:

TELE port

• Z_m pro POTS (Z_m je specifická pro jednotlivé státy)
• 135 Ω pro 2B1Q ISDN-BA (v_m= 80 kBd)
• 150 Ω pro 4B3T ISDN-BA (v_m= 120 kBd)

VDSL port

• 135 Ω (pro Evropu), 100 Ω (pro USA)
• Z_v (různé složení v závislosti na druhu měření)

LINE port

• 135 Ω (pro Evropu), 135 / 100 Ω (pro USA)

Příklad návrhu ISDN rozbočovače pro VDSL přípojku

V následující části je zobrazen praktický příklad návrhu rozbočovače, ve kterém je ukázán postup návrhu, jehož obecný postup je proveden v článku Návrh rozbočovačů pro přípojky ADSL a VDSL, vedoucí až k výslednému zapojení rozbočovače.

Stanovení požadavků

Jelikož se jedná o rozbočovač oddělující ISDN a VDSL signály, je třeba tuto skutečnost zohlednit zejména při volbě hraničních kmitočtů, kde navíc chceme dodržet požadavek mírného přechodového pásma. Významy a zdůvodnění jednotlivých frekvencí jsou uvedeny výše.

Zadané požadavky, které bychom měli splnit:

A_RL = 15 dB pro telefonní pásmo, A_RL = 12 dB pro VDSL pásmo
A_IL = ± 0,5 dB
cca f_I = 100 kHz (volíme s rezervou 120 kHz)
cca f_L = 1 MHz (volíme s rezervou 840 kHz)
f_H = 12 MHz

Přepočet požadavků na parametry tolerančního pole

Zadané požadavky je nutno nyní převést na parametry tolerančního pole jako je útlum v propustném (a_p ) a nepropustném pásmu (a_s ). První z nich je přepočítán z útlumu odrazu a druhý je zvolen v závislosti na doporučení.

DP:

a_p = 0,135 dB
a_s = 65 dB
f_p = 120 kHz
f _s= 840 kHz

Obr. 2. Toleranční pole dolní propusti

HP:

a_p = 0,266 dB
a_s = 60 dB
f_p = 840 kHz
f _s= 120 kHz

Obr. 3. Toleranční pole horní propusti

Výběr aproximační funkce

Pomocí výpočetního programu jsem postupně vyzkoušel možné aproximační úlohy a dle zjištěných výsledků se pro filtr typu dolní propust jako nejvýhodnější jevila aproximace dle Cauera varianta C. Oproti tomu pro horní propust jsem zvolil transformovanou Chebychevovu aproximaci, jelikož zde nejsou tak vysoké nároky, jako v případě dolní propusti a vede na jednodušší zapojení filtru.

Zapojení navržených částí ukazují schémata na obr. 4 a 5. Filtr typu dolní propust je třeba realizovat zapojením typu „π“, naopak horní propust zapojením typu „T“.

Obr. 4. Dolní propust

Obr. 5. Horní propust

Realizace výsledného zapojení

Navržené struktury filtrů je třeba spojit jejich kombinací do podoby tříportového rozbočovače, jak je naznačeno na obr. 6.

Obr. 6. Spojení DP a HP

Tato struktura nám však nevyhovuje z pohledu symetrie, je proto třeba ji vhodnými úpravami převést na symetrické zapojení. Samozřejmě nesmíme zapomenout na přidání cívky proti souhlasnému rušení (CMC), kterou jsme si navrhli za pomoci návrhového programu.

Obr. 7. Symetrizovaná struktura rozbočovače spolu s CMC cívkou

Výsledná struktura je zobrazena na obr. 7. a zbývá zkontrolovat, zda takto navržený rozbočovač vyhovuje zadaným požadavkům. Pomocí simulačního programu (PSPICE) si můžeme ověřit naše předpoklady a následně výsledné zapojení realizovat.

Vlastnosti rozbočovače

Při simulování vlastností rozbočovače je třeba dbát na zohlednění reálných vlastností součástek. Uvažovali jsme průměrný činitel jakosti (Q=50) a tolerance součástek byly nastaveny na 5%. Příklad simulace navrženého rozbočovače pro parametr vložného útlumu je uveden na obr. 8., kdežto na obr. 9. si můžeme prohlédnout průběh útlumu odrazu.

Obr. 8. Průběh vložného útlumu

Obr. 9. Průběh útlumu odrazu

Závěr

Dle provedených simulací se jeví navržený rozbočovač jako vyhovující, průběhy splňují zadané požadavky. Po uváženém výběru stavebních prvků by mělo toto zařízení vykazovat obdobné výsledky i po provedení praktických měření. Samozřejmě nebudou reálné průběhy přesně odpovídat simulacím, jak z důvodu vlivu reálných součástek, tak s přihlédnutím na omezené možnosti v nastavení při simulování daných parametrů.

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] Doporučení: ITU-T G.993.1 (2001)
[2] Cook, J. : A Splitter filter for use with VDSL at the cabinet BT Labotatories. 2001
[3] Doporučení: ITU-T G.993.1 Amendmennt 1 (2003)
[4] Program pro syntézu elektrických filtrů : Syntfil http://obvody.feld.cvut.cz/syntfil/
[5] Program pro návrh analogových filtrů : NAF 1.6. demo http://hippo.feld.cvut.cz/~bores/prog/htmt/htm/naf.htm