Помехи на линиях DSL
Автор: Игорь Иванцов
Главные источники помех на линиях DSL можно классифицировать как внешние и внутренние.
ВНУТРЕННИЕ ИСТОЧНИКИ ПОМЕХ
Внутренние источники помех (Internal Noise
Source) —это тепловые шумы, линейные и нелинейные искажения, шумы
квантования, остаточные эхо-сигналы, помехи источников синхронизации,
включая фазовые шумы, джиттер синхронизации и др.
Мощность помех равномерно распределена по диапазону частот абонентской линии (АЛ), т.е. одинакова на всех субканалах. Ее спектральная плотность обычно равна 140 дБм/Гц. В полосе частот линии ADSL, ширина которой примерно 1 МГц, суммарная мощность внутренних помех составит: 140 дБм/Гц + 10lg 10-6 = -80 дБм.
Помехи этого типа являются определяющими в средах, имеющих хорошую защиту от внешних помех (например, коаксиальных и волоконно-оптических кабелях, а также волноводах).
Мощность помех равномерно распределена по диапазону частот абонентской линии (АЛ), т.е. одинакова на всех субканалах. Ее спектральная плотность обычно равна 140 дБм/Гц. В полосе частот линии ADSL, ширина которой примерно 1 МГц, суммарная мощность внутренних помех составит: 140 дБм/Гц + 10lg 10-6 = -80 дБм.
Помехи этого типа являются определяющими в средах, имеющих хорошую защиту от внешних помех (например, коаксиальных и волоконно-оптических кабелях, а также волноводах).
ВНЕШНИЕ ПОЛУСТАЦИОНАРНЫЕ ИСТОЧНИКИ ПОМЕХ
Примерами внешних стационарных источников
помех (External (Semi-) Stationary Noise Source) являются переходные
помехи между парами кабелей абонентских телефонных сетей. Переходные
помехи обычно относят к классу стационарных помех. Однако такой подход
недостаточно строг, поскольку характер и интенсивность переходных помех
могут время от времени меняться из-за включения или выключения
пользовательских модемов DSL, изменений в абонентской проводке и т.д.
Допустимая мощность всех помех (как внутренних, так и внешних) одной той же линии ADSL не должна превышать -45 дБм. Таким образом, мощность внешних помех, львиную долю которых составляют переходные помехи, превышает мощность внутренних помех на 35 дБ, или почти в 104 раза.
Переходные помехи динамичны и имеют тенденцию к росту по мере увеличения числа линий DSL в кабельном пучке. Поэтому бессмысленно измерять шумы во время предварительной квалификации, так как нет гарантии того, что уровень переходных помех останется неизменным. Более того, уровень помех линии DSL необходимо измерять в течение длительного времени, чтобы оценка была надежной. Естественно, такой подход не дешев. Поэтому предпочтительнее ориентироваться исключительно на худший случай. Такой метод называют методом шумовой маски (noise mask).
Под шумовой маской понимают разность между значениями вносимого затухания при отсутствии переходных помех и их максимальным значением. Эта маска индивидуальна для каждой абонентской сети и зависит от вида кабеля, типов используемых в кабельном пучке систем DSL и принятых критериев оценки качества.
На Рисунке 1 показаны зависимости скорости передачи линии ADSL от вносимого затухания для трех случаев. Кривая (3) является результатом лабораторных испытаний и соответствует отсутствию внешних помех, а две другие характеризуют реальные сети Северной Америки (1) и Южной Америки (2). Две последние кривые практически параллельны, а расхождения между ними объясняются разными параметрами абонентских телефонных сетей и разными типовыми наборами технологий DSL в кабельном пучке. Разности кривых (3-1) и (3-2) определяют усредненные маски шумов для сетей Северной и Южной Америки.
Допустимая мощность всех помех (как внутренних, так и внешних) одной той же линии ADSL не должна превышать -45 дБм. Таким образом, мощность внешних помех, львиную долю которых составляют переходные помехи, превышает мощность внутренних помех на 35 дБ, или почти в 104 раза.
Переходные помехи динамичны и имеют тенденцию к росту по мере увеличения числа линий DSL в кабельном пучке. Поэтому бессмысленно измерять шумы во время предварительной квалификации, так как нет гарантии того, что уровень переходных помех останется неизменным. Более того, уровень помех линии DSL необходимо измерять в течение длительного времени, чтобы оценка была надежной. Естественно, такой подход не дешев. Поэтому предпочтительнее ориентироваться исключительно на худший случай. Такой метод называют методом шумовой маски (noise mask).
Под шумовой маской понимают разность между значениями вносимого затухания при отсутствии переходных помех и их максимальным значением. Эта маска индивидуальна для каждой абонентской сети и зависит от вида кабеля, типов используемых в кабельном пучке систем DSL и принятых критериев оценки качества.
На Рисунке 1 показаны зависимости скорости передачи линии ADSL от вносимого затухания для трех случаев. Кривая (3) является результатом лабораторных испытаний и соответствует отсутствию внешних помех, а две другие характеризуют реальные сети Северной Америки (1) и Южной Америки (2). Две последние кривые практически параллельны, а расхождения между ними объясняются разными параметрами абонентских телефонных сетей и разными типовыми наборами технологий DSL в кабельном пучке. Разности кривых (3-1) и (3-2) определяют усредненные маски шумов для сетей Северной и Южной Америки.
Понятие маски шумов поясняет и Рисунок 2.
Предположим, худшему случаю переходных помех соответствует запас по
параметру SNR (отношение сигнал/шум), а следовательно, и по вносимому
затуханию в 8 дБ. Это означает, что между кривой зависимос-ти скорости
линии DSL от вносимого затухания при отсутствии переходных помех
(кривая 1 на Рисунке 2) и такой же кривой при максимальной переходной
помехе (кривая 2 на Рисунке 2) должен иметься защитный интервал в 8
дБ. Пользуясь обеими кривыми, можно определить максимально ожидаемое
уменьшение скорости линии DSL или необходимое снижение вносимого
затухания с учетом полного заполнения кабельного пучка системами DSL.
Например, чтобы линия DSL могла поддерживать скорость передачи 2 Мбит/c
при максимальном уровне переходных помех, ее затухание не должно
превышать 43 дБ, т.е. оно уменьшено на 8 дБ по сравнению со случаем,
когда эта линия является единственной линией DSL в этом кабельном
пучке.
ВНЕШНИЕ НЕСТАЦИОНАРНЫЕ ПОМЕХИ
Импульсные помехи. Главные источники
импульсных помех — удары молнии, токи перегрузки, включения и
выключения осветительных и электромеханических бытовых приборов. Одна
из разновиднос-тей импульсных помех, так называемые Repetitive Impulse
Noise (REIN), имеют периодический характер с частотой сети переменного
тока 50 или 60 Гц. Обычно такая помеха проявляется как ошибка передачи и
может быть причиной перерывов в линии DSL, требующих ее повторного
запуска (retrain). Особенно чувствительны к импульсным помехам
видеоприложения, где из-за них случаются потеря синхронизации,
«замораживание», «пикселизация» изображения и др. Признаком влияния
импульсных помех на сигнал ADSL могут быть жалобы абонентов на малую
скорость сети Internet.
Если раньше основным источником импульсных помех было оборудование электромеханических АТС, и поэтому импульсные помехи проявлялись только вблизи АТС, то с распространением множества разнообразных бытовых приборов (холодильников, кондиционеров, пылесосов и т.д.) основным источником импульсных помех стало само помещение пользователя.
Импульсный шум представляет собой последовательность импульсов произвольной длительнос-ти и амплитуды, следующих друг за другом через случайные промежутки времени. Он отличается от непрерывного шума тем, что длительность импульсов шума значительно меньше промежутков между ними, поэтому появление каждого импульса рассматривается как независимое событие. Число независимо возникающих импульсов в течение любого промежутка времени подчиняется пуассоновскому распределению:
P(n) = (γT)n e–γT /n!, где Р(n) — вероятность появления n импульсов за время Т, а γ — среднее число импульсов в единицу времени.
Прохождение импульсного шума через полосовую цепь приводит к размыванию импульсов, т.е. к расширению импульсов и слиянию их в непрерывный шум. При этом значение его пикового уровня пропорционально ширине полосы пропускания, а значение среднего уровня – корню квадратному из полосы частот.
Локализация импульсных помех затруднена из-за их непостоянства во времени, поэтому диагностическое оборудование может оказаться бесполезным. Поскольку большая часть переносных тестеров подвергает анализу только часть спектра, они имеют определенный порог статических помех. Если уровень шума превышает этот порог, то прибор фиксирует событие как импульсную помеху. При таком подходе прибор будет принимать за импульсные шумы радиопомехи и другие стационарные шумы, уровень которых превышает установленный в приборе пороговый уровень статических шумов. Ситуацию может исправить когда-то популярный и недорогой широкополосный анализатор спектра, который позволяет непрерывно контролировать уровень шумов и сравнивать показатели шумов с циклами ADSL и ошибками. К счастью, диагностический режим стандарта ADSL2 обеспечивает большую часть указанного функционала в модемах DSL.
Решить проблему повышенных внутренних шумов удается путем переноса модема или замены неэкранированного кабеля в помещении пользователя. Однако более эффективное решение — регулировка глубины чередования в модеме DSLAM. Глубина может регулироваться от 0 (быстрый режим — Fast Path) до 64 в микросхемах ADSL и до 511 в микросхемах ADSL2/2+. Чем выше глубина чередования, тем эффективнее защищен модем от импульсных помех. Тем выше, однако, будет и вносимая модемом задержка.
Радиопомехи (Radio Frequency Interference, RFI). Радиопомехи подобны импульсным помехам, но затрагивают сравнительно узкую полосу частот сигнала DSL и, следовательно, сравнительно малое число субканалов DSL. Однако их длительность существенно превышает длительность импульсных шумов, и они искажают значительно большее число последовательных символов сигнала DSL, чем импульсные помехи. Поэтому подавление радиопомех требует более глубокого чередования, которое, однако, противопоказано приложениям реального времени — VoIP, IPTV и др.
Среди модификаций систем DSL влиянию помех от длинноволновых и коротковолновых радиостанций, работающих в диапазоне частот от 550 до 1700 кГц, особенно подвержены сигналы систем ADSL в нисходящем направлении. Проблема радиопомех для систем ADSL особенно актуальна в городах, где число сильных источников радиопомех велико. Наличие сильных радиопомех приводит к уменьшению пропускной способности линий DSL, которое особенно значительно на длинных линиях с малым соотношением мощностей сигнала и гауссовых шумов.
Если раньше основным источником импульсных помех было оборудование электромеханических АТС, и поэтому импульсные помехи проявлялись только вблизи АТС, то с распространением множества разнообразных бытовых приборов (холодильников, кондиционеров, пылесосов и т.д.) основным источником импульсных помех стало само помещение пользователя.
Импульсный шум представляет собой последовательность импульсов произвольной длительнос-ти и амплитуды, следующих друг за другом через случайные промежутки времени. Он отличается от непрерывного шума тем, что длительность импульсов шума значительно меньше промежутков между ними, поэтому появление каждого импульса рассматривается как независимое событие. Число независимо возникающих импульсов в течение любого промежутка времени подчиняется пуассоновскому распределению:
P(n) = (γT)n e–γT /n!, где Р(n) — вероятность появления n импульсов за время Т, а γ — среднее число импульсов в единицу времени.
Прохождение импульсного шума через полосовую цепь приводит к размыванию импульсов, т.е. к расширению импульсов и слиянию их в непрерывный шум. При этом значение его пикового уровня пропорционально ширине полосы пропускания, а значение среднего уровня – корню квадратному из полосы частот.
Локализация импульсных помех затруднена из-за их непостоянства во времени, поэтому диагностическое оборудование может оказаться бесполезным. Поскольку большая часть переносных тестеров подвергает анализу только часть спектра, они имеют определенный порог статических помех. Если уровень шума превышает этот порог, то прибор фиксирует событие как импульсную помеху. При таком подходе прибор будет принимать за импульсные шумы радиопомехи и другие стационарные шумы, уровень которых превышает установленный в приборе пороговый уровень статических шумов. Ситуацию может исправить когда-то популярный и недорогой широкополосный анализатор спектра, который позволяет непрерывно контролировать уровень шумов и сравнивать показатели шумов с циклами ADSL и ошибками. К счастью, диагностический режим стандарта ADSL2 обеспечивает большую часть указанного функционала в модемах DSL.
Решить проблему повышенных внутренних шумов удается путем переноса модема или замены неэкранированного кабеля в помещении пользователя. Однако более эффективное решение — регулировка глубины чередования в модеме DSLAM. Глубина может регулироваться от 0 (быстрый режим — Fast Path) до 64 в микросхемах ADSL и до 511 в микросхемах ADSL2/2+. Чем выше глубина чередования, тем эффективнее защищен модем от импульсных помех. Тем выше, однако, будет и вносимая модемом задержка.
Радиопомехи (Radio Frequency Interference, RFI). Радиопомехи подобны импульсным помехам, но затрагивают сравнительно узкую полосу частот сигнала DSL и, следовательно, сравнительно малое число субканалов DSL. Однако их длительность существенно превышает длительность импульсных шумов, и они искажают значительно большее число последовательных символов сигнала DSL, чем импульсные помехи. Поэтому подавление радиопомех требует более глубокого чередования, которое, однако, противопоказано приложениям реального времени — VoIP, IPTV и др.
Среди модификаций систем DSL влиянию помех от длинноволновых и коротковолновых радиостанций, работающих в диапазоне частот от 550 до 1700 кГц, особенно подвержены сигналы систем ADSL в нисходящем направлении. Проблема радиопомех для систем ADSL особенно актуальна в городах, где число сильных источников радиопомех велико. Наличие сильных радиопомех приводит к уменьшению пропускной способности линий DSL, которое особенно значительно на длинных линиях с малым соотношением мощностей сигнала и гауссовых шумов.
