Меры по уменьшению переходного затухания. Кабель с витыми парами

Для уменьшения влияния переходного затухания применяются кабели с витыми (скрученными) парами. Это многожильные кабели, у которых жилы скручены по парам или четверкам.

Принцип борьбы с помехами переходного затухания заключается в том, что при скрутке провода, влияющие на отдельные участки кабеля, наводят электромагнитную энергию, равную по амплитуде и противоположную по направлению, как это показано на рис. 6.7. При идеально сбалансированной скрутке (равный шаг скрутки, идеальная симметрия проводов) переходное затухание равно нулю.

Однако в реальной обстановке имеется большое различие амплитуд наведенных сигналов. Оно возникает из-за различного расположения проводов и их различного сопротивления (см. асимметрию).

В связи с проблемой устранения переходного затухания большое внимание уделяется симметрированию проводов разговорного тракта (провода a и b). Любая нагрузка, подключаемая к одному проводу, должна иметь аналог по сопротивлению, подключаемый к другому проводу.

 

 

Шумы (помехи)

Шумы (помехи) — это паразитные сигналы, поступающие в пользовательский канал. Они в большинстве случаев имеют случайный характер и случайные характеристики. По своему происхождению они делятся на внутренние и внешние. Внутренние шумы возникают от теплового движения заряженных частиц, температурных изменений и т.п. Внешние шумы или помехи возникают от многих источников излучения, а также при недостатках заземления. Они могут быть естественного происхождения, но чаще это промышленные источники, а также бытовые электроприборы, флуоресцентные лампы, телевизоры, регуляторы яркости освещения и другие источники электрических шумов.

Рис. 6.8. Метод устранения помех с помощью "скрещивания" проводов

Наличие шумов может, в частности, значительно снизить максимальную длину абонентской линии, которую можно использовать для высокоскоростной связи. В больших городах это помехи от электротранспорта, от мощного промышленного оборудования (включение и отключение мощного оборудования), помехи, возникающие из-за воздействия радиопередатчиков, излучение находящегося рядом радиопередатчика передачи данных. Источником помех может стать разнородность оборудования: например, применение в одном помещении электромеханических и электронных систем. В современных системах, применяющих абонентские устройства передачи данных, большое значение имеет показатель коэффициент импульсных помех.

Коэффициент импульсных помех служит для цифровой оценки состояния линии, он указывает количество ошибок на определенное число переданных битов. Нормальным считается коэффициент ошибок — это означает, что на битов в канале появляется одна помеха, которая может привести к ошибке. Минимально приемлемая величина коэффициента ошибок (допускается обычно при применении радиотракта) составляет . Величина считается хорошей. Следует учитывать, что эти показатели условны. Они измеряются за определенный интервал времени, например, за час. Но в реальности в течение каждого интервала они распределяются неравномерно и могут приходить концентрированно (пачкой). Поэтому иногда вводят коэффициент "пачечности" (концентрации ошибок), который показывает отношение количества ошибок, полученных в данном интервале времени, к ожидаемому среднему по всем интервалам.

Для преодоления ошибок применяются различные алгоритмы, которые будут рассмотрены далее. Помехи ухудшают качество приема речи, а при передаче данных могут привести к неверному их принятию или задержкам, замедляющим реальную скорость обмена данными (скорость модема).

Наибольшие проблемы возникают при ухудшении этого коэффициента и при контроле качества канала со стороны передающих или принимающих устройств. Если эти устройства настроены на отключение канала при превышении ошибки, то при случайных возмущениях в сети часто происходит полное отключение станции. Поэтому при автоматическом контроле этого параметра необходимо оставлять возможность регулировки порога.

Измерение затухания

Стандартный уровень шума, относительно которого измеряются помехи, равен 1 пВт или Вт. Это равняется принятому акустическому порогу слышимости (см. раздел 1.1 в части "Акустические свойства человеческого уха"). В относительных единицах дБм (децибел­милливатт, мощность, отсчитываемая относительно одного милливатта) это составляет 90 дБм.

Мощность, измеряемая относительно эталона 1 пВт, называется эталонной и обозначается в дБэт. Мощность, указанная в дБэт, показывает, насколько уровень шума превышает эталонный.

Иначе

Уровень 20 дБэт равен 70 дБм, т.е. уровню, измеренному относительно одного децибела.

И наоборот,

Однако, как мы уже отмечали в разделе 1.1, акустическое восприятие человеком звука зависит от частоты. Эта чувствительность изображается кривой на рис. 1.2 (Диаграмма слуха) и имеет максимум на частоте 1000 Гц. Поэтому при измерении мощность шума усредняют (взвешивают) в соответствии с псофометрической кривой, учитывающей уровень слышимости в соответствии с чувствительностью человеческого уха. Приблизительно эта величина составляет 0,562 от мощности шума, измеренной в пВт. Эта мощность называется псофометрической мощностью и обозначается пВтп. Поэтому мощность, выражаемая в дБм, легко пересчитывается в дБп (децибелы псофометрические).

Если сигнал шума имеет мощность , то затухание, выраженное в дБм, равно

а затухание, выраженное в дБп,

Учитывая, что эталонный уровень

,

то

.

Для полноты изложения отметим, что в Северной Америке принято учитывать частотную зависимость восприятия звука с помощью C-взвешивания. Кривая восприятия звука определяется путем измерения чувствительности на различных типах телефонных аппаратов (не менее 500). В этом случае диаграмма восприятия звука несколько отличается от псофометрической. Приблизительно эта величина составляет 0,631 от мощности шума, измеренной в пВт. В этом случае

.

Задержка передачи

Задержка передачи информации (запаздывание) измеряется временем между поступлением сигнала на вход системы передачи и появлением его на выходе. На это время влияют: параметры линии, параметры аппаратуры, быстродействие и алгоритмы обработки.

Задержка информации приводит к наличию эффекта эха при передаче речи. А фазовые задержки могут привести к ошибкам в передаче данных или к уменьшению скорости передачи за счет времени, необходимого для исправления ошибок.

Пупиновские катушки

Для использования существующей абонентской кабельной сети с целью передачи интегральной информации следует упомянуть еще одно решение, применяемое на абонентском участке в целях увеличения дальности передачи информации в речевом диапазоне — это пупиновские катушки. Известно, что высокие частоты спектра речи подвержены затуханию больше, чем низкие. Это определяется преимущественно емкостным характером абонентской линии. Зависимость затухания от частоты приводит к искажениям речевого сигнала, которые называются "амплитудными искажениями". В существующих сетях получило распространение введение искусственной индуктивности, которая ослабляет емкостный характер. Эти устройства получили название "пупиновские катушки" (по имени их изобретателя, словацкого ученого Пупина). Эти катушки используются на длинных межстанционных и абонентских сельских линиях. Улучшая параметры речи, они препятствуют расширению частотного диапазона (например, для услуг, требующих широкой полосы частот) [6.21].

Отводы

Существует три категории отводов абонентской линии в распределительной или магистральной сети. Первый — отвод для подключения резервного оборудования (jumping-off). Он используется в качестве резервной линии для подключения телефонного аппарата в другое место (например, дополнительная розетка). Большую часть времени он находится в состоянии, когда к нему не подключена аппаратура. Отвод для перехвата информации (taping) подразумевает включение оборудования, которое само активно принимает информацию.

Если использование кабельных отводов и допустимо в аналоговых телефонных сетях, обычно такие отводы оказывают серьезное воздействие на работу цифровых систем передачи. Цифровой сигнал, передаваемый по кабелю абоненту, попадает также и в каждый кабельный отвод. Отраженный от конца такого отвода сигнал накладывается на исходный сигнал, подаваемый абоненту, что приводит к значительному увеличению числа ошибок. К цифровому абонентскому тракту не должно быть подключено никакое телефонное оборудование.

Еще один тип отвода — неиспользуемая пара (bridged tap): дополнительная пара проводов, проложенная рядом с основными парами кабеля. Она обычно ни к чему не подключена, но может понадобиться в будущем для подключения нового пользователя. Короткие неиспользуемые пары не влияют на сигналы в речевой полосе, но могут быть чрезвычайно вредны для цифровых сигналов высокой частоты.

 

 

Потери

Качество обслуживания телефонных вызовов на сети определяется вероятностью потерь (отказов в обслуживании) из-за отсутствия свободных и доступных коммутационных приборов или каналов.

Определению всех понятий и расчету потерь посвящена большая область теоретических исследований. Для детального рассмотрения этих вопросов рекомендуются книги [6.15, 6.16]. Кратко приведем нормы на обслуживания.

Имеются потери двух типов — явные потери и потери по ожиданию. В первом случае при отсутствии свободных путей или каналов заявка снимается с обслуживания, во втором случае — ставится на ожидание. Она снимается с обслуживания, если время ожидания превышает заранее заданную величину.

Суммарные потери любого типа от абонента до абонента не должны превышать:

• при связи через городскую телефонную сеть — 0,03;
• при связи через пригородную зону — 0,04;
• при связи через междугороднюю сеть — 0,005.

Эти потери следует разделять на станционные и линейные. Поскольку стоимость линейных сооружений больше стоимости станционной аппаратуры, для станций устанавливаются нормы небольшой величины, а оставшаяся часть приходится на потери из-за отсутствия линий и каналов.

Для станций существуют следующие нормы:

• от абонента до входа (выхода) станции — 0,001,
• и между двумя входами (выходами) станции — 0,005.

В конце отметим, что норма потерь очень отражается на технико­экономических показателях сети: чем меньше норма потерь, тем больше требуется установить оборудования.

Качество обслуживания

Рассмотренные выше показатели потери характеризуют только одну сторону услуги передачи речи. В современных сетях телекоммуникаций применяется характеристика качество обслуживания. Эта характеристика является комплексной при оценке класса и качества услуг.

Все виды трафика можно разделить на три основные категории [6.16].

Трафик реального времени включает в себя аудио­ и видеоинформацию, критичную к задержкам при передаче. Обычно качество характеризуется явными потерями. Допустимые значения задержек обычно не превышают 0,1 с (сюда входит время на обработку пакетов конечной станцией). Кроме того, задержка должна иметь малые флуктуации (с ними связан эффект "дрожания"). При сжатии информации трафик данной категории становится очень чувствительным к ошибкам при передаче, а из-за жестких требований к задержкам при передаче потоков в режиме реального времени возникающие ошибки не могут быть исправлены с помощью повторной посылки.

Трафик транзакций (интерактивный). При передаче этого вида трафика задержки не должны превышать 0,1 с. В противном случае пользователи будут вынуждены прерывать работу и ждать ответа на свои сообщения. Такая схема обмена информацией снижает производительность труда, а разброс в значениях задержек может привести к возникновению чувства дискомфорта у пользователей. В некоторых случаях превышение допустимого времени задержек приводит к сбою рабочей сессии.

Трафик данных. Задержки при передаче трафика этой категории могут иметь практически любые значения и достигать даже нескольких секунд. Для такого трафика полоса пропускания более важна, чем время задержек: увеличение пропускной способности сети влечет за собой уменьшение времени передачи. Приложения, передающие большие объемы данных, разработаны преимущественно в расчете на предоставление им всей доступной полосы пропускания сети.

Следующим шагом на пути к реализации коэффициента качества обслуживания QoS стала разработка механизма явного управления скоростью трафика (ECR — Explicit Rate Control), который в течение ряда лет довольно активно используется в сетях ATM. В последнее время все чаще высказывается мнение, что ECR можно применять также со стеком протоколов TCP/IP. Этот механизм способен работать автономно либо совместно с существующими алгоритмами организации очередей. Основные задачи, которые он позволяет решать:

• рост производительности каналов связи;
• уменьшение времени ожидания реакции сети;
• увеличение степени детализации сетевого управления благодаря контролю за отдельными потоками трафика.

Преимущества ECR таковы:

• возможность точного управления распределением полосы пропускания между входящими и исходящими потоками трафика;
• снижение нагрузки на сеть, связанной с повторной передачей пакетов с ошибками;
• уменьшение длины очередей в маршрутизаторе (и, как следствие, снижение нагрузки на его центральный процессор);
• значительное сокращение времени доставки пакета и уменьшение его флуктуаций, более быстрая адаптация к изменениям ситуации. Реализацию этого механизма можно изучить в [6.16] и [6.17].

Краткие итоги

• Прямое затухание — это интегральный показатель качества передающей среды. Затухание показывает уменьшение мощности сигнала в результате его прохождения через среду передачи.
• Уровень входного сигнала диктуется типом оборудования, типом и протяженностью линии. Поэтому во всех странах принято измерять затухание системы передачи относительно назначенной заранее точки отсчета в цепи передачи, относительно которой определяются значения уровней передачи во всех остальных точках. Эта точка названа точкой c нулевым уровнем передачи (Zero Transmission Level point). Уровень сигнала в точке c нулевым уровнем передачи не равен нулю.
• Под коэффициентом затухания понимается относительное изменение мощности передачи сигнала при распространении его на единицу расстояния, выраженное в км.
• Переходное затухание — величина, которая характеризует относительное количество энергии, переходящей вследствие электромагнитной связи из одной цепи в другую, и выражается в децибелах.
• Имеются следующие виды переходного затухания:
• измеряемое на ближнем конце (NEXT — Near End Cornstalk). Имеется в виду переход мощности от одной пары к другой, который измеряется на конце, ближнем к передатчику пары, подверженной влиянию;
• измеряемое на дальнем конце (FEXT — Far End Cornstalk). Имеется в виду переход мощности от одной пары к другой, который измеряется на конце, дальнем от передатчика пары, подверженной влиянию.
• Для уменьшения влияния переходного затухания применяются кабели с витыми (скрученными) парами. Это многожильный кабель, у которого жилы скручены по парам или четверками.
• В связи с проблемой устранения переходного затухания большое внимание уделяется симметрированию проводов разговорного тракта (провода a и b). Любая нагрузка, подключаемая к одному проводу, должна иметь аналог по сопротивлению, подключаемый к другому проводу.
• Шумы (помехи) — это паразитные сигналы, поступающие в пользовательский канал. Он в большинстве случаев имеют случайный характер и случайные характеристики. По своему происхождению они делятся на внутренние и внешние.
• Внутренние шумы возникают от теплового движения заряженных частиц, температурных изменений и т.п. Внешние шумы или помехи возникают от многих источников излучения, а также при недостатках заземления.
• Коэффициент импульсных помех служит для цифровой оценки состояниялинии, он указывает количество ошибок на определенное число битов. Нормальным считается коэффициент ошибок 10-6 — это означает, что на 10⁶ битов в канале появляется одна помеха, которая может привести к ошибке. Минимально приемлемая величина коэффициента ошибок (допускается обычно при применении радио тракта) составляет 10-3.
• Коэффициент "пачечности" (концентрации ошибок) показывает отношение количества ошибок, полученных в данном интервале времени, к ожидаемому среднему по всем интервалам.
• Задержка передачи информации (запаздывание) измеряется временем между поступлением сигнала на вход системы передачи и появлением его на выходе. На это время влияют: параметры линии, параметры аппаратуры, быстродействие и алгоритмы обработки.
• В существующих сетях получило распространение введение искусственной индуктивности, которая ослабляет емкостный характер. Эти устройства получили название "пупиновские катушки".
• Существует три категории отводов абонентской линии в распределительной или магистральной сети.
• Первый отвод — для подключения резервного оборудования (jumping-off). Этот отвод используется в качестве резервной линии для подключения телефонного аппарата в другое место (например, дополнительная розетка).
• Отвод для перехвата информации (taping) подразумевает включение оборудования, которое само активно принимает информацию.
• Неиспользуемая пара (bridged tap) — дополнительная пара проводов, проложенная рядом с основными парами кабеля.
• Качество обслуживания телефонных вызовов на сети определяется вероятностью потерь (отказов в обслуживании) из-за отсутствия свободных и доступных коммутационных приборов или каналов.
• Имеются потери двух типов — явные потери и потери по ожиданию.

В первом случае при отсутствии свободных путей или каналов заявка снимается с обслуживания, во втором случае — ставится на ожидание. Она снимается с обслуживания, если время ожидания превышает заранее заданную величину.

• В современных сетях телекоммуникаций применяется характеристика качество обслуживания. Эта характеристика является комплексной при оценке класса и качества услуг.
• Трафик реального времени включает в себя аудио­ и видеоинформацию, критичную к задержкам при передаче. Обычно качество характеризуется явными потерями. Допустимые значения задержек обычно не превышают 0,1 с (сюда входит время на обработку пакетов конечной станцией).
• Трафик транзакций (интерактивный). При передаче этого вида трафика задержки не должны превышать 0,1 с. В противном случае пользователи будут вынуждены прерывать работу и ждать ответа на свои сообщения.
• Трафик данных. Задержки при передаче трафика этой категории могут иметь практически любые значения и достигать даже нескольких секунд.
• Схема, включаемая в линию и выполняющая переход от двухпроводной линии к четырехпроводной, называется дифференциальной системой (hybrid).
• При работе дифференциальной схемы возможен переход информации с цепей передачи на цепь приема, как это показано на рисунке пунктирной линией.

Такой переход вызывает у абонента эффект эха. Явление "эхо" заключается в поступлении в приемник сигнала передатчика.

• В цифровых системах для улучшения качества тракта применяется цифровая схема эхокомпенсации. Ее принцип заключается в том, что передаваемая в линию информация через цепь задержки передается в сумматор, стоящий в цепи приема. Там она вычитается (алгебраически суммируется) из принимаемого потока. Задержка и параметры сигнала выбираются таким образом, чтобы при вычитании уничтожить сигналы, перешедшие из собственной цепи передачи.
• Метод эхоподавления основан на том, что при передаче информации закрывается (ослабляется) цепь собственного приема. При эхоподавлении может происходить ухудшение качества связи в момент, когда оба абонента активны, а тракт приема одного из них заблокирован.

Задачи и упражнения

1. Показать, что приведенные эталонные значения напряжения и тока соответствуют мощности 1 мВт, развиваемой на эталонном сопротивлении 600 Ом. Вывести уравнения, применяемые для вычисления затухания с помощью этих параметров.
2. Определите затухание в дБ, если мощность на выходе равна 100 пВт.
3. В точке А уровень передачи равен (-2дБм) в точке B (-4дБм). Определите затухание между точкой A и B в дБр. Если после точки С сигнал будет передаваться дальше и в точке C будет уровень 13 дБр, какое значение будет иметь затухание в единицах дБм?