Асимметричная линия. Асимметрия омическая и емкостная

Несимметричная полосковая линия передачи

Несимметричная полосковая линия передачи или микрополосковая линия (рис. 12,3, 12.4, а) представляет собой полосковую линию, у которой проводник (1) отделен от общей металлизации (3) слоем диэлектрика (2). Такая линия легко изготавливается c использованием современных технологических процессов, имеет малые габариты, низкую стоимость при серийном производстве, высокую надежность. Распределение линий напряженности электрического и магнитного полей показано на рис. 12.4, б. Несмотря на очевидную простоту конструкции, точный анализ характеристик микрополосковой линии, имеющей неоднородную диэлектрическую среду, достаточно сложен. Характеристики линии рассчитываются, как правило, в предположении о распространении квази Т-волны. Строго говоря, в линии распространяется смешанная волна, обладающая заметной дисперсией, что обусловливает изменение ее параметров от частоты. Точное определение частотно-зависимых параметров возможно при решении краевой задачи численными методами на ЭВМ.

Рис. 12.3. Конструкция несимметричной полосковой линии передачи

Рис. 12.4. Конструкция несимметричной полосковой линии передачи (а) и распределение линий напряженности электрического и магнитного поля (б).

Для НПЛ расчет волнового сопротивления и других параметров представляет собой более сложную задачу, чем для СПЛ. Основное отличие состоит в том, что НПЛ представляет собой открытую структуру, и построение ее строгой теории оказалось связанным с решением ряда сложных проблем математической теории дифракции и вычислительной электродинамики. Вместе с тем для целого ряда приложений оказались весьма полезными различные приближенные результаты. Один таких подходов связан с использованием так называемой модели Олинера. Эта модель основана на сравнении волновых сопротивлений реальной линии, имеющую относительную диэлектрическую проницаемость материала подложки ε r и однородно заполненного волновода с магнитными боковыми стенками. Причем заполнение этого волновода имеет величину ε эфф – эффективную относительную диэлектрическую проницаемость отличную от ε r .Величина ε эфф определяет равенство фазовых скоростей в обеих линиях. Эффективная ширина W эфф НПЛ для модели Олинера определяется из равенства волновых сопротивлений исходной линии и модели.

Получен ряд приближенных соотношений для определения волнового сопротивления Z В и эффективной относительной диэлектрической проницаемости ε эфф в квазистатическом приближении. Так, волновое сопротивление Z В можно рассчитать с низкой погрешностью (±1%) для 1 ε r 16 и геометрических размеров в области .

Для широких проводников ()

и для узких проводников ()

, (12.8)

где параметр ε эфф равен:

Потери в МПЛ принято делить на потери в диэлектрике подложки, в металлических элементах линии и на излучение в окружающее пространство за счет поверхностных и пространственных типов волн. Для расчета потерь в металле и диэлектрике подложки известны достаточно простые расчетные соотношения. Потери на излучение связаны обычно с наличием разного рода неоднородностей в ПЛП. Так, это может быть обрыв линии, или ёё изгиб; отверстие в центральном проводнике; расположенная рядом другая линия (в этом случае говорят о связанных ПЛП).

Коэффициент затухания обусловленный потерями в диэлектрике определяется по следующим формулам:

; [дБ/м] (12.11)

где , где - частота [ГГц].

При учете конечной толщины проводника вместо отношения W / D надо подставлять величину W * / D :

, (12.12)

. (12.13)

Зависимость Z В от отношения при разных значениях ε r (кривая 1 соответствует ε r = 2,2; кривая 2 - ε r = 4,0; кривая 3 - ε r =6,0; кривая 4 - ε r = 9,6) можно показать кривыми, изображенными на рис. 12.5. Анализ этих кривых показывает, что величина Z В в МПЛ уменьшается при увеличении W , ε r и при уменьшении толщины подложки D .

Расчёты показывают, что при значениях параметров МПЛ W = 1 мм, D = 1 мм, изготовленной на базе поликора с ε r = 9,6, ёе волновое сопротивление составляет приблизительно 50 Ом.

Более строгий анализ показывает, что в МПЛ распространяется не чистая Т-волна, поэтому волновое сопротивление и эффективная диэлектрическая проницаемость зависит от рабочей частоты. Такая зависимость называется дисперсией. В расчетных соотношениях, представленных выше, при учете дисперсии необходимо произвести замену на .

Рис. 12.5. Зависимость величины волнового сопротивления от конструктивных параметров и размеров.

На основе обобщения многочисленных экспериментальных данных получена следующая эмпирическая формула, позволяющая учесть зависимость от частоты:

, (12.14)

, (12.15)

где f - рабочая частота [размерность в ГГц], размерность W и D в соизмеримых величинах.

Точность расчётов по формулам (12.14) и (12.15) не хуже 2% при и мм.

Коэффициент затухания  м в металле определяется по следующим приближенным формулам:

(12.17)

где , а - проводимость материала, используемого для изготовления проводников микрополосковой линии, - проводимость меди.

(12.18)

где ; ; ; ; .

На рис. 12.6 представлены зависимости коэффициента затухания микрополосковой линии передачи от частоты при значениях параметров  r = 9,6, D = l мм, = 75 Ом (кривая 1) и = 50 Ом (кривая 2.) Видно, что с ростом частоты коэффициент затухания возрастает по закону   f . С ростом волнового сопротивления потери также возрастают при равенстве всех остальных параметров. Реальные микрополосковые схемы размещаются в экранирующем корпусе. При этом идеализированное представление о проводящих границах, расположенных на бесконечном расстоянии от полоски, в ряде случаев оказывается неточным. Однако считается, что если экранирующий корпус располагается на расстоянии больше, чем 10  W , тогда параметры такой линии передачи можно определять по представленным выше формулам для линий без экранирования.

В реальных микрополосковых линиях затухание повышается из-за шероховатости подложки, конечной толщины адгезионного подслоя между проводником и подложкой, а также из-за ряда других факторов неучтенных выше.

Рис. 12.6. Зависимость затухания микрополосковой линии передачи от частоты.

где величина f кр выражена в ГГц, а D - в мм.

В режиме непрерывных колебаний потери в микрополосковой линии, а также интенсивность отвода тепла от подложки, определяют электрическую прочность. Ориентировочные значения предельной средней мощности для линии с сапфировой подложкой составляют 80 - 100Вт, а предельной импульсной мощности (при скважности сигнала более 50) - несколько киловатт.

Из вышесказанного ясно, что электрические характеристики микрополосковой линии определяются ее геометрическими размерами. Уменьшение толщины подложки обеспечивает: малые потери на излучение, снижение вероятности возбуждения поверхностных волн, увеличение плотности монтажа. Однако при прочих равных условиях для сохранения постоянного волнового сопротивления необходимо уменьшать W , что, в свою очередь, приводит к увеличению потерь в проводниках. Кроме того, при малых значениях параметров D и W требуемые технологические допуски для обеспечения удовлетворительных электрических характеристик могут оказаться трудно реализуемыми. Компромиссным решением при выборе D является принятый ряд стандартных значений толщины подложки для микрополосковых линий: D = 0,25; 0,5; 1 мм.

Остановимся на определении еще одного геометрического размера микрополосковой линии - толщины проводника. Ток в проводнике микрополосковой линии протекает в основном по стороне проводника, обращенной к подложке, и концентрируется в слое, толщина которого равна примерно толщине скин-слоя . Для обеспечения малых потерь в проводнике необходимо, чтобы толщина проводника и заземленной пластины составляла примерно 3 -5 толщин скин-слоя.

Наиболее надежные несимметричные линии связи выполняются с использованием коаксиального кабеля, но они дороги. Другой недостаток несимметричных линии - высокий уровень помех, имеющихся в общем проводнике. Эти недостатки практически отсутствуют у симметричных линий связи.

Симметричные линии - это два проводника изолированные от общего проводника. Как на входе, так и на выходе симметричная линия нагружается на характеристическое сопротивление, причем нагрузка подключается симметрично относительно общего проводника.

Обычно симметричные линии выполняются в виде витой пары (см. рис.114), характеристическое (волновое) сопротивление которой обычно около 130 омов.

Рис.114. Симметричная линия связи.

Симметричная линия имеет повышенную помехоустойчивость за счет того, что оба проводника линии подключены к общему проводнику схемы через одинаковые сопротивления. Для организации нормальной работы линии необходимо в обоих проводниках линии сигнал передавать в противофазе, это означает, что если на входе одного проводника линии сигнал имеет высокий уровень, то на входе другого проводника сигнал должен иметь низкий уровень.

Это можно осуществить с использованием двух инверторов при передаче и соответственно RS триггера при приеме (рис.115).

Рис.115. Симметричная линия связи с ТТЛ элементами.

Логические элементы, используемые в качестве передатчиков должны иметь повышенную нагрузочную способность, например 155ЛА6 или транзисторные каскады, построенные на базе микросхемы 155ЛП7 (рис.116).

Рис.116. Передатчик на микросхеме 155ЛП7.

На рисунке приняты обозначения: D - вход данных, С - вход синхронизации, А - вход линии связи. Так как для нормальной работы симметричной линии связи на проводники линии сигналы должны подаваться в парафазном коде, в левой схеме транзисторы включены эмиттерными повторителями, а инверсия осуществляется нижним элементом 2И-НЕ. В правой схеме один транзистор включен по схеме эмиттерного повторителя (инверсия отсутствует), а другой включен ключом (инверсия присутствует). Для согласования в качестве нагрузок в обеих схемах используют резисторы равные половине волнового сопротивления .

В качестве приемников симметричных линий связи необходимо использовать устройства, рассчитанные на парафазное представление информации и с гистерезисом на входе.

Лекция 35.

1. Цифро-аналоговые и аналого-цифровые преобразователи.

Электронные устройства предназначенные для изменения формы представления значений переменных. Существуют аналоговая и цифровая формы представления информации. Аналоговая форма представления состоит в том, что любая переменная представляется непрерывно изменяющейся величиной. Примером может служить электрическое напряжение или ток в любой электрической цепи. Действительно, ток в электрической цепи может принимать значение определяемое параметрами цепи, но количество этих значений бесконечно большое. Цифровая форма представления состоит в том, что значение переменной представляется многоразрядным числом позиционной системы счисления. Количество значений переменной при этом определяется погрешностью представления переменной. Так если переменная представляется четырехразрядным десятичным целым числом, то погрешность представления - единица младшего разряда, а количество значений переменной 10000.

Помимо параметров передачи огромное влияние на электрические характеристики симметричных кабелей оказывают также параметры влияния.

ПАРАМЕТРЫ ВЛИЯНИЯ

Основным методом уменьшения таких влияний служит скрутка жил медной пары. Наиболее жесткие требования в этом отношении предъявляются в структурированных кабельных системах (СКС) с широким диапазоном рабочих частот: отсутствие скрутки жил допускается на расстоянии не более 1/2 дюйма от точки соединения двух отрезков кабеля.

Мерой оценки переходных влияний являются переходное затухание на ближнем конце (Near End Crosstalk, NEXT) и переходное затухание на дальнем конце (Far End Crosstalk, FEXT). Указанные параметры позволяют оценить пригодность пар симметричных кабелей для высокоскоростной передачи данных. Переходные затухания NEXT и FEXT могут выражаться через логарифм отношения мощности генератора P 1 , питающего влияющую цепь, к мощности помех Р 2 в цепи, подверженной влиянию, т. е. как 10lg (P 1 /Р 2) дБ или как разность уровней в указанных точках p 1 - p 2 .

Стоит напомнить, что уровень сигнала или помехи в произвольной точке Х линии связи оцениваются как px = 10lg (P х /1мВт) дБ. Здесь P х представляет собой мощность сигнала в точке X. Иногда вместо обозначения дБ используют обозначение дБм с целью подчеркнуть тот факт, что в качестве опорной мощности выбрана мощность сигнала, равная 1 мВт. Ниже будет использоваться краткое обозначение дБ.

Величина NEXT оценивается разностью уровней сигнала на выходе передатчика одной пары и созданной им помехи на входе приемника другой, измеренных в одном и том же пункте, т. е. NEXT = p 10 - p 20 .

Параметр NEXT является определяющим при однокабельном режиме работы линии связи, когда сигналы противоположных направлений передачи транспортируются по парам одного кабеля. Он играет ключевую роль и в тех случаях, когда для разделения сигналов противоположных направлений, передаваемых по одной паре, применяется метод эхокомпенсации. Как известно, спектры сигналов противоположных направлений передачи полностью (например, у HDSL) или частично (у ADSL) совпадают. Ранее в отечественной технической литературе для параметра NEXT использовалось обозначение A 0 .

Величина FEXT оценивается разностью уровней сигнала на выходе передатчика одной пары и созданной им помехи на входе приемника другой. Однако, в отличие от NEXT, при измерении FEXT передатчик влияющей пары и приемник подверженной влиянию пары расположены в противоположных пунктах линии передачи.

FEXT - это определяющий параметр при двухкабельном режиме работы линии связи, когда сигналы противоположных направлений передачи транспортируются по парам разных кабелей. Он имеет ключевое значение, и когда для разделения сигналов противоположных направлений, передаваемых по одной паре, используется метод частотного разделения сигналов FDM (например, в системах ADSL или VDSL). Тогда спектры сигналов противоположных направлений передачи не перекрываются, и переходное влияние на ближнем конце отсутствует. Ранее параметр FEXT обычно обозначался как A L .

При прочих равных условиях величина FEXT существенно больше NEXT, поскольку в первом случае влияющий сигнал претерпевает затухание в линии связи, а во втором - непосредственно воздействует на подверженную влиянию пару.

Параметр NEXT с увеличением длины линии L сначала уменьшается, а затем стабилизируется: начиная с определенной длины токи помех с удаленных участков приходят настолько ослабленными, что практически не влияют на величину NEXT. Иная ситуация в случае сложения токов взаимных влияний на дальнем конце - с увеличением длины линии все ее участки вносят одинаковые значения помех. Переходное затухание уменьшается с ростом частоты, причем NEXT уменьшается с частотой со скоростью 15 дБ на декаду, а FEXT - со скоростью 20 дБ на декаду. Меньшая крутизна частотной зависимости FEXT объясняется тем, что с ростом частоты возрастает затухание переходных мешающих токов, поступающих на ближний конец с удаленных участков линии.

Кроме рассмотренных параметров NEXT и FEXT, в практике оценки структурированных кабельных систем широко используются два новых - ACR и ELFEXT, на которых мы остановимся более подробно.

Параметр Attenuation to Crosstalk Ratio (ACR) эквивалентен параметру сигнал/шум применительно к переходному влиянию на ближнем конце NEXT, т. е. он служит оценкой на входе приемника для претерпевшего затухание линии сигнала и для помехи от переходного влияния на ближнем конце. Количественно ACR выражается как логарифмическая мера разности NEXT и затухания кабеля. Если, например, значение ACR составляет 10 дБ, это означает, что мощность помехи NEXT на входе приемника будет в 10 раз меньше мощности полезного сигнала, т. е. отношение сигнал/шум будет равно 10.

Пусть система связи работает в однокабельном режиме, причем уровни сигналов на выходах передатчиков в точках А и В одинаковы и равны 0 дБ. Если затухание линии на частоте f обозначить через a k , то при переходном затухании NEXT на той же частоте уровни сигнала p с и переходной помехи p p на входе приемника А будут, соответственно, равны a k и NEXT.

Тогда ACR = p с - p p = NEXT - a k .

Практический смысл параметра ACR становится понятнее, если частотные характеристики затухания симметричной пары (а), переходной помехи (NEXT) и параметра (ACR) представить на одном графике. Частота, на которой величины затухания и NEXT одинаковы (в данном случае она равна 100 МГц), определяет верхнюю границу рабочего диапазона частот. На частотах выше граничного показателя мощность помехи NEXT превышает мощность сигнала.

Параметр Equal Level Far End Crosstalk (ELFEXT) имеет тот же физический смысл, что и ACR. Разница между ними только в том, что ACR связан с NEXT, а ELFEXT - с FEXT. Параметр ELFEXT становится критичным для случаев, когда несколькими передатчиками одной системы ведется передача в одну сторону по парам, расположенным в одном кабеле.

При этом ELFEXT = FEXT - a k .

Стоит отметить, что ранее в отечественной технической литературе для параметра ELFEXT, который называли защищенностью от переходного влияния на дальнем конце, использовалось обозначение A з.

Кроме параметров ACR и FEXT применяются два дополнительных параметра - PS-ACR (Power Sum ACR) и PS-ELFEXT (Power Sum ELFEXT), учитывающих суммарное влияние на данную пару всех остальных пар кабеля.

АСИММЕТРИЯ ЛИНИИ

Асимметрия является одновременно параметром передачи, поскольку она определяется параметрами пары и влияет на ее пропускную способность, и параметром влияния, так как она воздействует на переходы между другими парами.

Каждая симметричная линия должна быть сбалансирована относительно земли определенным образом. В зависимости от тока - постоянного или переменного - различают два вида асимметрии.

Асимметрия по постоянному току оценивается относительной величиной разности сопротивлений жил симметричной линии и не должна превышать 1%. Наличие резистивной разбалансировки линии, равной разности сопротивлений ее жил, измеренных при переменном токе, можно интерпретировать как включение в нее дополнительного фильтра нижних частот с сопротивлением продольного плеча dR. Кроме резистивной составляющей продольная разбалансировка линии в общем случае содержит и емкостную составляющую; она может возникать, например, из-за случайного скрещивания жил разных пар в местах соединения кабелей. Эту составляющую можно интерпретировать как поперечную емкость того дополнительного фильтра нижних частот, о котором сказано выше.

Степень продольной асимметрии по переменному току оценивается величиной затухания продольной асимметрии (Longitudinal Conversion Loss, LCL). Причинами продольной разбалансировки жил витой пары могут быть неплотный контакт в местах соединения жил кабелей (точках скрутки или спайки, распределительных шкафах и т. п.). Проблему продольной разбалансировки нельзя считать решенной, даже если продольная асимметрия рассматриваемой пары приведена к норме. Этот факт - необходимое, но еще не достаточное условие решения проблемы продольной асимметрии в конкретном кабеле. Условие достаточности требует обязательной проверки всех пар пучка или повива на соответствие нормам продольной асимметрии. Дело в том, что любая разбалансировка даже нерабочей пары является источником помех для всех работающих пар, следствием чего является уменьшение их пропускной способности.

Передача сигналов по линиям связи.

Особенное значение имеют электрические цепи, по которым передаются сигналы как между входами и выходами микросхем на печатной плате, так и между различными устройствами ЭВМ, находящимися на разных платах и в разных корпусах.

Такие электрические цепи будем называть линиями связи. Большинство линий связи относятся к несимметричным.

На рис.105 показаны разновидности несимметричных линий связи: а - одиночный проводник, б - витая пара, в - коаксиальный кабель

Рис.105. Несимметричные линии связи.

Одиночный проводник - обычная линия связи, широко используемая на печатных платах, выход передатчика и вход приемника связываются одиночным проводником, а электрическое замыкание цепи осуществляется через общий проводник печатной платы. Преимущество однопроводной линии связи - простота, а недостаток - большое количество помех, возникающих в общем проводнике печатной платы и воздействующих на передаваемый сигнал.

Витая пара - два изолированных проводника свитые между собой, один из них связывает передатчик и приемник сигналов, а второй используется для замыкания электрической цепи. При использовании витой пары в пределах печатной платы существенно повышается помехоустойчивость передачи информации, но стоимость такой конструкции выше, чем одиночного проводника.

Коаксиальный кабель - специальная конструкция, состоящая из центрального проводника, находящегося в изоляционной оболочке, поверх которой расположен цилиндрический экранирующий проводник.

Имеет смысл рассматривать влияние отражения сигналов, если линия связи работает как длинная линия, а это определяется выполнением условия

Где - время распространения сигнала по линии связи, - длительность импульсного сигнала.

При выполнении этого неравенства отраженные сигналы от концов линии не оказывают влияния на форму импульса, т.е. такую линию не имеет смысла рассматривать как длинную линию. Учитывая, что скорость распространения сигналов в соединительных линиях около 25 см/нс, а длительность фронтов формируемых на выходах элементов ТТЛ серий от 2 до 20 нс можно определить длину соединительных проводников, у которых выполняется указанное неравенство. Данные по ТТЛ сериям приведены в таблице16.

Таблица.16

Если принять, что - выходное сопротивление источника сигнала, - волновое сопротивление линии связи, - сопротивление нагрузки, подключенное к выходу линии, то напряжение на входе линии (в точке А) можно определить по формуле , где - выходное напряжение элемента передатчика. В процессе передачи сигналов по длинной линии наблюдается отражение сигналов от концов линии связи и неоднородностей по ее длине. Коэффициент отражения на входе линии (в точке А) может быть оценен соотношением

а на выходе линии (в точке В) -

Величина отраженной волны определяется как произведение величины падающей волны на коэффициент отражения.

Рассмотрим на примере влияние отражения на качество передачи сигнала по линии связи между двумя логическими элементами со следующими параметрами: , , , логический элемент - передатчик изменяет состояние выхода с нулевого на единичное с уровнем напряжения 4В. Коэффициенты отражения примут значения и .

При переключении элемента на входе линии (в точке А) имеем

Этот сигнал приходит в конец линии и отражается, в конце линии (в точке В) будем иметь , причем произведение - это отраженная волна, которая приходит в начало линии и вновь отражается. При этом на входе линии получаем

Результаты расчетов в виде графиков приведены на рисунке 106.

Как видно из графика сигнал на входе и выходе линии является плавно нарастающим напряжением, вид которого приводит только к задержке сигнала во времени. Однако при других соотношениях сопротивлений форма сигнала претерпевает более серьезные изменения, которые могут привести к нарушению работоспособности. Рассмотрим работу линии при: , остальные параметры как в предыдущем примере. Коэффициенты отражения примут значения и .

Рис.106. График изменения напряжения на концах

Самое нехорошее соотношение будет тогда, когда на обоих концах линии коэффициенты отражения будут единичными и с разными знаками, возможна полная потеря информации.

Рис.107. График передачи сигнала по линии связи.

Подобные искажения сигналов при передаче их по длинным линиям приводят к снижению надежности работы всего вычислительного устройства. Для уменьшения искажений длинными линиями необходимо выполнять их согласование с передатчиками и приемниками сигналов.

Цифровая связь с абонентом и цифровые модемы

Для большинства лег прошедшего столетия подключение те­лефона абонента к телефонной станции (или «локальный уча­сток линии связи», «последняя миля») осуществлялось медным проводом («витая пара», twisted pair), скрытым в подземных коллекторах или протянутым по воздуху.

Длительное время используемая полоса пропускания не пре­восходила 3 кГц, что ограничивалось аналоговыми оконечными устройствами. Однако, витая пара по своей сути способна к на­много более высоким полосам пропускания, и на коротких рас­стояниях может нести видеосигнал или широкополосные дан­ные. Новые технологии (ISDN и ADSL) были разработаны, что­бы в рамках существующей инфраструктуры обеспечить более высокую производительность.

Кроме того, в 1990-е гг. компании кабельного ТВ вложили значительные капиталы в альтернативные каналы подключения к домам. Здесь использовались как технологии витой пары, так и волоконно-оптические и коаксиальные кабели. В большинстве случаев эти кабельные сети были проведены, чтобы обеспечить трансляцию телевидения. Однако их коммуникационные воз­можности и высокая полоса пропускания могут использоваться также, чтобы организовать другие формы цифровых услуг.

Цифровая сеть с предоставлением комплексных услуг (Integ­rated Services Digital Network - ISDN) могла быть расценена как лучшая слишком долго сохраняемая тайна компьютерного сете­вого мира. ISDN длительное время была скрыта от пользователей телефонных сетей (public switched telephone network - PSTN), по­скольку она обеспечивает только связь между телефонными стан­циями, а абонент со станцией по-прежнему соединялся по анало­говому каналу.

ISDN была первоначально доступна в двух версиях:

Базовая скорость (Basic Rate ISDN - BRI), которая также известна как ISDN-2. BRI предназначена для домашнего пользователя или мелкого бизнеса, состоит из двух «кана­лов В» (64 Кбит/с) для передачи данных и одного скрытого «канала D» (16 Кбит/с) для информации управления. Два

канала по 64 Кбит/с могут использоваться отдельно или соединяться вместе, чтобы образовать канал 128 Кбит/с;

Первичная скорость (Primary Rate ISDN - PRI) или ISDN-30. PRI состоит из 30 «каналов В» (может быть уста­новлено минимум шесть) по 64 Кбит/с, плюс «канал D» на 64 Кбит/с для данных управления. В-каналы могут объеди­няться в единственный канал на 1,92 Мбит/с.

В конце 1998 г. British Telecomm (БТ) сделала первую серьез­ную попытку предоставить технологию ISDN домашнему поль­зователю с объявлением услуги «Магистраль БТ» (ВТ Highway). Если клиент подписывается на одну из этих услуг, существую­щая телефонная линия сохраняется, но старый главный разъем заменяется модулем Магистрали. Он имеет четыре разъема, два аналоговых и два ISDN, и может поддержать до трех разговоров одновременно. Подписчик сохраняет старый аналоговый теле­фонный номер и получает два дополнительных, один для второ­го аналогового порта и один для линий ISDN. Два главных раз­личия между услугами «для дома» и «для бизнеса» - то, что в последнем случае поддерживается «Множественный абонент» (Multiple Subscriber Numbering - MSN), посредством чего раз­личные устройства, подключенные к одной линии ISDN, могут иметь различные телефонные номера, а также предоставляется новая услуга по передаче данных (ISDNConnect) или постоянно действующая медленная связь, которая использует сигнальный канал ISDN.

В то же самое время Internet-onepaTop ВТ, ВТ Internet, объ­явил поддержку 128 Кбит/с, разрешая пользователям использо­вать две линии ISDN как одну с высокой полосой пропускания.

xDSL - групповое название для разнообразия технологий цифровой абонентской линии (Digital Subscriber Line - DSL), разработанных, чтобы предложить телефонным компаниям путь в бизнес кабельного телевидения. Это - не новая идея - ком­пания Bell Communications Research Inc разработала первую цифровую абонентскую линию еще в 1987 г., чтобы организо­вать поставку «видео по заказу» и интерактивное телевидение по проводной связи. В то время распространение подобных техно­логий было затруднено из-за отсутствия стандартов для всей промышленности.

Технологии xDSL предлагают скорости входящей передачи (загрузки) до 52 Мбит/с и исходящей (разгрузки) - от 64 Кбит/с до 2 Мбит/с (и более) и имеют ряд модификаций:

Асимметричная линия (ADSL);

Одиночная линия (SDSL);

Очень высокая скорость передачи данных (HDSL).

Практика показывает, что линии ADSL (Асимметричная

Цифровая абонентская линия) наиболее перспективны для бы­тового применения.

ADSL. Технология ADSL подобна ISDN - обе требуют, чтобы проводные телефонные линии были свободны, и могут использо­ваться только на ограниченном расстоянии от местной телефон­ной компании. В большинстве случаев ADSL может работать по соединениям типа витой пары, не нарушая существующие теле­фонные подключения, это означает, что местные телефонные компании не должны проводить специальные линии, чтобы обес­печить обслуживание ADSL.

ADSL использует тот факт, что поскольку голосовая связь не занимает полностью полосу пропускания, доступную для стан­дартной витой пары, то можно организовать высокоскоростную передачу данных в то же самое время. С этой целью ADSL раз­бивает максимальную полосу пропускания проводного подклю­чения в 1 МГц на каналы по 4 кГц, из которых один канал ис­пользуется для простой телефонной системы (обычная телефон­ная сеть - plain old telephone system - POTS) - голосовая связь, факсимильные и аналоговые модемные данные. Другие 256 дос­тупных каналов используются для параллельной цифровой свя­зи. Связь асимметрична: 192 канала по 4 кГц используются для передачи входящей информации и только 64 - для исходящей.

ADSL может рассматриваться как преобразования последо­вательной строки цифровых данных в параллельную строку, та­ким образом увеличивается пропускная способность. Методика модуляции известна как дискретная многочастотная (Discrete Multitone - DMT), кодирование и декодирование выполняются соответственно, тем же самым способом, как и обычным мо­демом.

Более ранняя система, названная Carrierless Amplitude Phase (САР), была способна использовать всю полосу пропускания выше 4 кГц как единственный канал передачи и имела то пре-

Рис. 3.9. Сеть с подключением через ADSL-модем: / - телефонный вход; 2 - аналоговый выход; 3 - цифровой выход

имущество, что она близка методике квадратурной амплитудной модуляции (Quadrature Amplitude Modulation - QAM), исполь­зуемой высокоскоростными модемами при скоростях более чем 9,6 Кбит/с, а также более дешева для осуществления. Однако DMT - более надежная, сложная и гибкая технология - оказа­лась более подходящей для универсально принятого стандарта.

Когда обслуживание начало быть коммерчески доступным, единственным оборудованием, которое должны были использо­вать подписчики ADSL, был специальный модем. Аппарат имеет три соединения - телефонный вход (рис. 3.9, /); стандартное телефонное гнездо RJ11 для обслуживания аналогового телефона (рис. 3.9, 2) и соединитель витой пары Ethernet, который под­ключает модем ADSL к ПЭВМ (рис. 3.9, 3).

На стороне пользователя модем ADSL собирает высокочас­тотные цифровые данные и транслирует их для передачи на ПК или в сеть. На стороне телефонной службы мультиплексор до­ступа к цифровой абонентской линии (Digital Subscriber Line Access Multiplexer - DSLAM) подключает пользователя ADSL к высокоскоростному Internet, агрегируя входящие линии ADSL в единственное подключение для передачи голоса или данных. Те­лефонные сигналы направляются на коммутируемую телефон­ную сеть, а цифровые - в Internet через высокоскоростную ма­гистраль (стекловолокно, асинхронную передачу данных, или цифровую абонентскую линию).

В настоящее время существуют различные конструкции мо­демов ADSL. Некоторые соединяются с PC через USB-порт, другие - через кабель Ethernet. Большинство устройств позволя­
ет разделить подключение Internet между несколькими ПК. Ин­тегрированный модем/маршрутизатор поддерживает сеть ПК, некоторые включают интегрированную систему сетевой защиты (брандмауэр), чтобы обеспечить различные уровни защиты про­тив неуполномоченного доступа.

192 канала по 4 кГц обеспечивают максимальную полосу пропускания 8 Мбит/с. Тот факт, что услуги ADSL ограничены пределом в 2 Мбит/с, объясняется искусственным сужением по­лосы и тем, что фактические уровни работы зависят от ряда внешних условий. Они включают длину проводки, количество проводов датчика, «висящие пары» и взаимные помехи. Ослабле­ние сигнала увеличивается с длиной линии и частотой и умень­шается с увеличением диаметра проводов. «Висящая пара» - не­замкнутая проводная пара, которая находится параллельно ос­новной проводной паре, например, каждое неиспользованное телефонное гнездо представляет собой висящую пару.

Если игнорировать влияние висящих пар, производитель­ность ADSL может быть представлена так, как это выглядит в табл. 3.11.

В 1999 г. по предложениям Intel, Microsoft, Compaq и других производителей оборудования была разработана спецификация, которая была принята Международным союзом электросвязи (International Telecommunication Union - ITU) как универсаль­ный индустриальный стандарт ADSL, известный как G.922.2 или G.lite. Стандарт предполагает, что пользователи могут делать обычные голосовые телефонные звонки одновременно с переда­чей цифровых данных. Вносятся некоторые ограничения на ско­рость - 1,5 Мбит/с по приему данных и 400 Кбит/с по передаче.

ADSL2. В июле 2002 г. Международный союз электросвязи закончил два новых стандарта асимметричной цифровой або­нентской линии, определяемых как G992.3 и G992.4 для асим­метричной цифровой абонентской линии (известных в дальней­шем как ADSL2).

Новый стандарт был спроектирован, чтобы улучшить быст­родействие и дальность асимметричной цифровой абонентской линии, достигая лучшей эффективности на длинных линиях в условиях узкополосной интерференции. Скорость ADSL2 для входящего и выходящего информационных потоков достигает соответственно 12 и 1 Мбит/с в зависимости от дальности связи и других обстоятельств.

Повышение эффективности достигалось за счет следующих факторов:

Улучшенной технологии модуляции - сочетания четырех­мерной треллис-модуляции (на 16 состояний) и 1-битовой квадратурной амплитудной модуляции (QAM), что дает, в частности, повышение устойчивости по отношению к по­мехам со стороны AM радиовещания;

Использования переменного количества служебных битов (которые в ADSL постоянно занимают полосу в 32 Кбит/с) - от 4 до 32 Кбит/с;

Более эффективного кодирования (на основе метода Ри­да-Соломона - Reed-Solomon code).

ADSL2+. В январе 2003 г. ITU вводит стандарт G992.5 (ADSL2+) - рекомендация удваивает ширину полосы входящего информационного потока, таким образом, увеличивая скорость передачи данных на телефонных линиях короче, чем приблизи­тельно 1,5 км.

В то время как стандарты ADSL2 определяют диапазон час­тот входящего информационного потока в 1,1 МГц и 552 кГц соответственно, ADSL2+ увеличивает эту частоту до 2,2 МГц. Результат - существенное увеличение скоростей передачи дан­ных нисходящего информационного потока на более коротких телефонных линиях.

ADSL2+ также позволяет уменьшить взаимные помехи. Это может быть особенно полезным, если провода асимметричной цифровой абонентской линии как от центральной станции, так и от удаленного терминала находятся в одной связке, когда они подводятся к домам абонентов. Взаимные помехи могут значи­тельно вредить скоростям передачи данных на линии.

ADSL2+ может исправить эту проблему путем использова­ния частот ниже 1,1 МГц от центральной станции до удаленного терминала и частот между 1,1 и 2,2 МГц от удаленного термина­ла до абонентского пункта. Это устранит большинство переход­ных помех между службами и сохранит скорости передачи дан­ных на линии от центральной станции.

Другие технологии xDSL (табл. 3.12)

RADSL. В 2001 г. была введена спецификация адаптивной скорости передачи (Rate Adaptive Digital Subscriber Line - RADSL), где предусмотрена коррекция скорости передачи со­гласно длине и качеству местной линии. Ранее подписчики должны были располагаться в пределах 3,5 км от местной теле­фонной станции, чтобы можно было подключить ADSL. Для RADSL дальность расширена до 5,5 км, а шумовые допуски уве­личились от 41 до 55 дБ.

Таблица 3.12.Характеристики технологий xDSL Тип сети Скорость связи, Мбит/с Расстояние, км Исходящий поток Входящий поток RDSL 128 Кбит/с.1 600 Кбит/с 7 3,5 5,5 HDSL 2,048 4,0 SDSL 1,544-2,048 3,0 12,96 1,5 VDSL 1,6-2,3 25,82 51,84 1,0 0,3

HDSL. Технология HDSL симметрична, это означает, что обеспечивается одна и та же полоса пропускания для выходного и входного потока данных. Здесь используется проводка с 2-3 и более витыми парами в кабеле. Хотя типичная дальность (3 км) ниже, чем для ADSL, но могут быть установлены повторители сигнала несущей, что позволяет удлинить связь на 1 - 1,5 км.

SDSL. Технология аналогична HDSL, но с двумя исключе­ниями: используется единственная проводная пара и максималь­ная длина ограничена 3 км.

VDSL. Это самая быстрая технология цифровой абонентской линии. Скорость входного потока 13-52 Мбит/с, а выходного - 1,6-2,3 Мбит/с по единственной проводной паре. Однако мак­симальная дистанция связи составляет только 300-1500 м и оборудование ADSL и VDSL несовместимы, хотя и используют­ся сходные алгоритмы сжатия и технологии модуляции.

Кабельные модемы. Кабель-модемы предлагают перспективу быстрого доступа к Internet, используя существующие широко­полосные сети кабельного телевидения. Технология соответству­ет скорее домашним, нежели офисным применениям, так как обычно жилые кварталы более охвачены кабельной связью.

Типичные устройства, изготовленные, например, такими про­давцами, как Bay Networks или Motorola, - внешние модули, при­соединяемые к клиентским ПЭВМ через интерфейсы Ethernet, USB или FireWire. В большинстве случаев кабельному модему пользователя назначается единственный IP-адрес, но могут быть либо поставлены дополнительные адреса IP для нескольких ком­пьютеров, либо несколько ПК могут совместно эксплуатировать единственный адрес IP, используя прокси-сервер. Кабельный мо­дем использует один или два канала телевидения на 6 МГц.

Поскольку сеть кабельного телевидения имеет шинную то­пологию, каждый кабельный модем в окрестности совместно ис­пользует доступ к единственной коаксиальной кабельной маги­страли (рис. 3.10).

Функция кабельного модема состоит в модуляции и демоду­ляции сигнала в поток данных; но подобие с аналоговыми моде­мами на этом заканчивается. Кабельные модемы также включа­ют блок настройки (чтобы отделить сигнал данных от остальной части широковещательного потока); компоненты сетевых адап-

Рис. 3.10. Системы связи с использованием кабельных модемов

теров, мостов и маршрутизаторов (чтобы соединяться с несколь­кими ПК); программное обеспечение управления сетью (чтобы провайдер кабельной связи мог контролировать операции) и уст­ройства кодирования (чтобы поток данных не прерывался и не был бы послан адресату по ошибке).

Кабель имеет ряд практических недостатков по сравнению с xDSL - не все дома снабжены кабельным телевидением (а неко­торые и не будут никогда); кроме того, для многих пользовате­лей, которые подсоединены, все же более вероятно размещение ПК поблизости от телефонного гнезда, нежели у телевизора или кабельного ввода. Однако для многих домашних пользователей кабель дает перспективу быстрого доступа к Internet по доступ­ной цене. Теоретически возможны скорости до 30 Мбит/с. Практически кабельные компании устанавливают скорости ис­ходящего потока в 512 Кбайт/с, а входящего - 128 Кбайт/с.