Коэффициенты усиления

 Коэффициент усиления — один из важнейших показателей усилителя. Он показывает, во сколько раз полезный эффект в заданной нагрузке на выходе усилителя больше эффекта, создаваемого источником сигналов на его входе (рис. 1.2.1).Полезный эффект на выходе может определяться напряжением, током или мощностью. В соответствии с этим усилитель характеризуют его коэффициентами усиления напряжения К_u, тока К_i или мощности К_р. Они определяются в установившемся режиме при синусоидальном входном сигнале.

Коэффициентом усиления мощности К_р называют число, показывающее, во сколько раз мощность Р₂, отдаваемая усилителем в его оконечную нагрузку Z_н, больше мощности Р₁, подводимой к его входным зажимам:

�������������������������������������������������� К_р = Р₂/Р₁������������� �������� ���������������� (1.2.1)������

������������������������������������������������ ��������

Обычно интерес представляет активная мощность Р₂, отдаваемая усилителем в нагрузку, и активная мощность Р₁, забираемая им при этом от источника усиливаемых сигналов. В этом случае К_р определяется действительным числом.

Коэффициентом усиления напряжения (тока) усилителя называют отношение его выходного напряжения �(тока ) к входному напряжению �(току ):

��������������� ����������������������������������������������������������������������������(1.2.2)

���������������������������������������������������� �����������������������������������������(1.2.3)

Активный элемент (транзистор) вместе со всеми вспомогательными элементами, обеспечивающими его нормальную работу, образуют устройства, называемое усилительным каскадом. Если усиление, создаваемое таким устройством, оказывается недостаточным, применяют последовательное включение нескольких каскадов (рис 1.2.2). Результирующее усиление напряжения такого усилителя равно произведению коэффициентов усиления входящих в него каскадов, то есть

.

Аналогичный вывод можно сделать, если рассматривать результирующий коэффициент усиления тока или мощности. Таким образом, в общем случае

��������������������������������������� �����������������������������������������(1.2.4)

где К_q — коэффициент усиления q-го каскада по напряжению, току или мощности; n — число каскадов; К_N — результирующий коэффициент усиления напряжения, тока или мощности соответственно.

Определение коэффициента усиления многокаскадного устройства существенно упрощается при использовании логарифмических единиц, так как в этом случае операция умножения заменяется более простой операцией суммирования. Так, для номинального коэффициента усиления многокаскадного усилителя

������������������������������������������������ .������������������������������������ (1.2.5)

Очень большое входное сопротивление полевых транзисторов приводит к тому, что при их использовании усилители практически не потребляют тока от источника усиливаемых колебаний (I₁ � 0). Естественно, что использование коэффициентов усиления тока и мощности для оценки свойств таких усилителей лишается смысла. Поэтому их усилительные свойства характеризуют только коэффициентом усиления напряжения К_u.

Усилители на биполярных транзисторах обладают сравнительно малым входным сопротивлением и потребляют от источника сигналов заметный ток. Поэтому для таких транзисторных усилителей имеют смысл все три коэффициента усиления. Однако и в этом случае чаще всего пользуются коэффициентом усиления напряжения К_u , так как значения К_i и К_p при необходимости легко могут быть выражены через К_u.

Для случая гармонических входных сигналов коэффициент усиления представляется комплексной величиной, так как выходное напряжение усилителя отличается от входного как по амплитуде, так и по фазе. Поэтому входные и выходные сигналы напряжения выражаются комплексными величинами:

������������������������������������������� ��������������������������������(1.2.6)

����������������������������������������� �������������������������������(1.2.7)

где U_вх, U_вых — амплитуды; j₁, j₂ — начальные фазы напряжений.

Отсюда коэффициент усиления усилителя может быть выражен соотношением

���������������������������������� �������������������������(1.2.8)

где �— модуль;

j = j₂ — j₁ — аргумент коэффициента усиления усилителя в комплексной форме.

Таким образом, коэффициент усиления на любой частоте характеризуется модулем коэффициента усиления К и углом сдвига фаз между входным и выходным напряжениями. Так как эти величины (К и j) зависят от частоты входного сигнала, различают амплитудно-частотную и фазо-частотную характеристики усилителя.

Амплитудно-частотной (АЧХ) или частотной характеристикой (ЧХ) называют зависимость модуля коэффициента усиления от частоты (логарифма частоты). Типичная частотная характеристика усилителя представлена на рис. 3.2,а.

��������������������

                а)���������������������������������� б)��������������������������������� в)

Рис. 1.2.3. Амплитудно-частотная (а), фазо-частотная (б )и амплитудная (в)

характеристики усилителя (1 — идеальная, 2 — реальная)

 Фазо-частотной (ФЧХ) или фазовой характеристикой усилителя называют зависимость угла сдвига фаз между выходными и входными напряжениями от частоты (рис 1.2.3, б).

Амплитудная характеристика (АХ) есть зависимость амплитуды выходного напряжения усилителя от амплитуды входного напряжения постоянной частоты (рис 1.2.3, в). Идеальная амплитудная характеристика усилителя представляет собой прямую, проходящую через начало координат с углом наклона, характеризующим коэффициент усиления (кривая 1). Реальная амплитудная характеристика существенно отличается от идеальной для малых и больших входных напряжений сигнала (кривая 2). Это обуславливается нелинейностью характеристик элементов усилителя. Отклонение формы выходного напряжения от входного называют искажениями. Для оценки величины искажений часто применяют спектральный метод, который заключается в сравнении спектров выходного и входного напряжений. Совпадение спектров означает, что в спектре выходного напряжения не появились новые гармонические составляющие, а относительные значения амплитуд и фазовые сдвиги гармонических составляющих входных и выходных напряжений одинаковы. При невыполнении хотя бы одного из этих условий спектр выходного напряжения отличается от входного, то есть усилитель вносит искажения. В усилителе различают нелинейные и линейные искажения. Нелинейными искажениями называют изменение формы выходного напряжения, вызванное появлением новых гармонических составляющих. Они оцениваются коэффициентом гармоник

�������������������������������������������� �����������������������������������(1.2.9)

где U_i — амплитуда напряжений i-гармоники.

Коэффициент гармоник выражает отличие формы выходного сигнала от гармонической и представляет собой отношение среднеквадратичного напряжения суммы всех гармоник выходного сигнала, кроме первой, к среднеквадратичному напряжению первой гармоники.

Линейные искажения подразделяют на частотные и фазовые. Изменения формы выходного напряжения, вызванные отклонением относительных значений амплитуд гармонических составляющих спектра, называют частотными искажениями. Они оцениваются коэффициентом частотных искажений М, представляющим собой отношение коэффициента усиления на средней частоте К₀ к коэффициенту усиления на данной частоте:

������������������������������������������������������������ �����������������������������������������(1.2.10)

Фазовыми искажениями называют изменение формы выходного напряжения, вызванное различным сдвигом во времени гармонических составляющих.

Важными параметрами усилителя являются коэффициент полезного действия, его выходные и входные электрические величины, такие как номинальное выходное напряжение и мощность (U_вых, Р_вых), _{входное} сопротивление (Z_вх), при котором усилитель отдает в нагрузку заданную мощность Р_вых.

Основные компоненты сети ADSL

Технология ADSL формирует единую сетевую архитектуру. ADSL - не просто способ просмотра Web, а средство доставки домашним пользователям и домашним офисам всех типов новых широкополосных служб на конкурентной основе и от различных источников (от образовательных и до финансовых).

Рис. 8.3 Основные компоненты сети ADSL

На Рис. 8.3 более подробно изображена структура удаленного терминального устройства ADSL (ADSL ATU R), применяемого для поддержки доступа к абонентам. Физическим устройством может быть телевизионная приставка или персональный компьютер. Не исключаются и более экзотические устройства. Проводка от ATU R к оконечному устройству может быть простой (локальная сеть 10BASE T), сложной (частная сеть ATM) либо выполняться по потребительской шине электронного оборудования (CEBus-шина управления оборудованием для� интеллектуальный домов), использующей электрическую проводку для передачи информации. В любом из вариантов широкополосного доступа не требуются изменения в проводке к существующим аналоговым телефонам, поскольку сигналы к ним выделяются специальным устройством (делителем).

Соединение ADSL может все еще вести к устройству цифровых перемычек (DACS) до входа в магистральную сеть провайдера. Если провайдер обеспечивает и соединение ADSL, то вполне возможно, что все службы будут размещаться непосредственно на центральной станции. Однако более вероятно обеспечение показанных на рисунке служб двумя другими способами. Во-первых, соединения ADSL могут объединяться мультиплексором и вводиться в оборудование DACS. DACS обеспечивает связь с магистральной системой, возможно с не разделенным на каналы T3, работающим на скорости 45 Мбит/с, и далее с провайдером Интернета. У провайдера все соединения заканчиваются на маршрутизаторе IP, а пакеты направляются из/в Интернет. Корпоративная сеть интранет может быть подключена аналогичным образом. Это простейший метод, при котором суммарная полоса пропускания всех соединений ADSL не сможет превышать 45 Мбит/с в любом из направлений.

Во-вторых, узел доступа может быть связан непосредственно с маршрутизатором IP или коммутатором ATM, расположенным в нескольких футах (возможно, комнатой ниже) от узла доступа. Трафик объединяется, поскольку существует только одно физическое соединение от узла доступа к коммутатору/маршрутизатору. Однако как только пакеты попадают в маршрутизатор IP или коммутируемую сеть ATM, направление трафика в точку назначения становится аналогичным первому случаю. Такой сценарий имеет смысл, когда провайдер ADSL одновременно является провайдером Интернета. Допустимо предоставление ADSL независимым провайдерам, даже в том случае, если местная телефонная компания не предлагает и не поддерживает ADSL (см. ниже). Это не только отличительная черта ADSL, но и одна из основных причин повышенного интереса к данной технологии.

При работе над стандартом ADSL основное внимание уделяется узлу доступа. Сейчас большинство узлов доступа выполняет только простое объединение трафика (т.е. все биты и пакеты в/из узлов доступа переносятся к службам по простым цепям). Если 10 клиентов ADSL будут принимать входящий поток 2 Мбит/с и исходящий поток 64 Кбит /с (что типично), то соединение между узлом доступа и сетью служб (например, Интернет) должно обеспечивать 20 Мбит/с (10x2 Мбит/с) в обоих направлениях, чтобы избежать заторов и отбрасывания пакетов. Такая же скорость должна обеспечиваться для исходящего потока, даже при объединенном трафике в 640 кбит/с (10x64 кбит/с). Это объясняется дуплексной природой соединений с T несущей - единственного пока способа переноса такого трафика.

Улучшением систем ADSL было бы выполнение статистического мультиплексирования в самих узлах доступа ADSL или непосредственная реализация возможностей коммутирования в мультиплексоре ADSL. В случае статистического мультиплексирования, основанного на учете пульсирующей природы пакетов, возможны меньшие скорости соединений, поскольку большинство пользователей не будут работать одновременно. Если узел доступа ADSL имеет встроенный маршрутизатор IP или коммутатор ATM, то выгоды становятся более явными. В любом случае те же самые 10 клиентов могут обслуживаться соединением на скорости, значительно меньшей 20 Мбит/с, может даже на скорости 1.5 Мбит/с. Более подробно об узлах доступа ADSL, которые только начинают появляться, рассказывается в следующей главе, посвященной DSLAM.

 Асимметричная DSL (ADSL)

Асимметричная DSL (asymmetric DSL) нацелена на устранение ограничений HDSL, HDSL2 и их разновидностей в новых цифровых локальных линиях. Прежде всего HDSL, SDSL и другие технологии редко допускают применение аналогового телефона (однако в настоящее время производители поддерживают передачу аналогового голоса в технологиях, подобных SDSL, особенно для кодирования, отличного от 2B1Q). Большинство людей продолжают пользоваться аналоговыми телефонами, однако HDSL, HDSL2 и их варианты (в "чистом" виде) передают только цифровые сигналы, что требует от пользователей либо покупки специальных преобразователей (терминального адаптера, ТА), либо приобретения цифрового телефона. Возможно, еще будет найден недорогой способ применения аналоговых телефонов на цифровых линиях.

В 1992 г. некоторые телефонные компании совместными усилиями доставили в дома цифровое видео (и сопровождающий его аудиосигнал). Были испробованы многие технологии. Привлекательность ADSL в то время заключалась в обещании предоставления такого рода услуг по существующим локальным линиям, использовавшимся для передачи аналогового голоса. ADSL могла стать основой для обеспечения видео по требованию и так называемых "видеотональных" (video dial tone) систем, которые активно разрабатывались в то время. Для этого требовалась большая полоса пропускания входящего потока (по направлению к дому), но не очень большая полоса для исходящего потока (из дома). Простые команды "Старт", "Стоп", "Быстрая перемотка" и "Пауза" размещаются в небольших пакетах данных.

Оказалось, что многие домашние приложения соответствуют асимметричной модели, например доступ к Интернету и Web, обычные операции клиент/сервер и службы покупки из дома. Любая технология DSL (в том числе и ADSL), которая поддерживает большую полосу в одном из направлений, является асимметричной по определению.

Некоторое время аббревиатура ADSL была объединяющим термином для разнообразных асимметричных технологий xDSL, включая RADSL и VDSL. Однако предпочтительнее оказались термины, более формальные и специфические для каждой технологии xDSL. Web-сайт Форума ADSL (www.adsl.com) содержит сведения обо всех технологиях xDSL, а не только об ADSL.

Более подробная информация об ADSL представлена ниже, а сейчас мы лишь определим положение ADSL внутри семейства xDSL. Рис. 6.5 показывает общую архитектуру ADSL.

Рис. 6.5 Архитектура ADSL

Здесь отражены две черты ADSL, отличающие ее от других технологий xDSL. Делитель (splitter) - это устройство, которое включается между местной телефонной станцией и помещением клиента. Делитель выполняет две функции. Во-первых, он позволяет продолжить использование существующих аналоговых телефонов и другого оборудования, например факсимильных аппаратов. Во-вторых, делитель отводит трафик данных с большим временем занятости от телефонного коммутатора PSTN (куда он направляется по цепям) на маршрутизатор IP или на коммутируемую сеть ATM (где этот трафик переносится в пакетах). Это снижает нагрузку на PSTN и сокращает расходы клиента, поскольку не нужно заменять все пользовательское оборудование или устанавливать специальные адаптеры (как в HDSL и других технологиях). Маршрутизаторы и коммутаторы ATM передают пользовательский трафик серверам, предположительно расположенным в Интернете или в корпоративной сети интранет, хотя существуют и другие возможности.

ADSL является асимметричной технологией. Скорость входящего потока намного больше (иногда в десятки раз), чем скорость исходящего потока. Максимальная скорость входящего потока определена для ADSL в 8.192 Мбит/с, однако ее трудно достичь на практике в силу ограничений в пропускной способности существующей архитектуры Интернета и ее магистралей. Это похоже на использование автомобиля со скоростью 100 миль в час на автостраде с ограничением скорости до 55 миль в час. В обозримом будущем большинство производителей оборудования и провайдеров будут устанавливать максимум скорости от 4 Мбит/с до 6 Мбит/с.

Соединение ADSL не коммутируемо само по себе. Другими словами, ADSL формирует другой тип выделенной линии от пользовательского персонального компьютера или локальной сети в место назначения - с коммутацией пакетов или ячеек ATM, а не цепей. Если провайдер на конце линии связи ADSL установит IP-маршрутизатор или коммутатор ATM, подключенный к Интернету, то трафик ADSL сможет попасть в любое место. Сегодня это делается через коммутируемую телефонную сеть.

ADSL и стандарты

Как любая другая технология, ADSL нуждается в стандартах. Все технологии проходят через стадию исследования и экспериментов (первые самолеты и автомобили имели причудливые формы и размеры). Прежде чем клиенты примут новую технологию и будут платить за нее с трудом заработанные деньги, технология должна быть стандартизирована для удовлетворения всех требований к ней. Люди хотят иметь современные продукты с единым способом функционирования и внешним видом, независимыми от конкретного производителя, продукты, которые будут работать с другими устройствами той же категории.

В США стандарт ADSL на физический уровень операций был впервые предложен Американским национальным институтом стандартов (ANSI) в спецификации Т1.413 1995. Этот документ определяет взаимодействие оборудования ADSL через старые аналоговые локальные линии. Он не предназначен для описания всей архитектуры и служб ADSL, внутреннего функционирования узла доступа ADSL и других подобных вопросов. Стандарт специфицирует фундаментальные положения: кодирование линии (как посылаются биты) и структуру кадра (как организуются биты).

Наиболее распространенные продукты ADSL использовали амплитудно-фазовую модуляцию без несущей (САР), квадратурную амплитудную модуляцию (QAM) и дискретную многотональную технологию (DMT) для кодирования сигналов линий. Другие варианты испытывались только в лабораториях. Независимо от вида кодирования, когда одна пара проводников работает в полнодуплексном режиме, нужно либо разделить диапазон частот для входящего и исходящего потоков (мультиплексирование с разделением по частотам), либо использовать эхо-подавление. Подавление эхо-сигнала устраняет восприятие сигнала одного направления как источника сигнала другого направления за счет "отражения" эхо-сигнала обратно к источнику. В ADSL могут комбинироваться оба способа (так оно обычно и бывает), что в силу асимметричной природы полосы пропускания ADSL означает перекрытие диапазонов частот, но не их полное совпадение. Таким образом, FDM и эхо-подавление используются в некотором смысле одновременно.

В любом случае, согласно документу Т1.413, для достижения полнодуплексного режима совместимая со стандартом ANSI технология ADSL должна использовать кодирование DMT либо с FDM, либо с эхо-подавлением. Следует заметить, что FDM является более простым методом для реализации. Эхо-подавление более чувствительно к перекрестным помехам на ближайшем конце (NEXT, near-end crosstalk), когда приемник "подбирает" сигналы от смежной системы. Смежной системой может выступать другая пара проводов или даже передатчик той же системы, работающий в противоположном направлении. FDM исключает помехи NEXT, позволяя приемнику полностью игнорировать диапазон частот другого передатчика. В FDM сокращается суммарная полоса пропускания, доступная в обоих направлениях. Эхо-подавление более эффективно использует имеющуюся полосу пропускания, но ценой повышения сложности и чувствительности. Кроме того, эхо-подавление позволяет применять наиболее низкие частоты, что увеличивает производительность.

Для кодирования в ADSL можно было бы использовать любой из широко известных методов, в том числе CAP, QAM и 2B1Q из ISDN и HDSL. Метод DMT был выбран по целому ряду причин. Одной из них является адаптивная природа устройств DMT, позволяющая легко приспособиться к изменяющимся условиям на линии, таким как влажность и уровень помех. На выбор этого метода повлияла также стойкость DMT к шуму (в основном радиопомехам) и присутствию цифровых сигналов на смежных линиях (перекрестным помехам). Однако продукты на основе САР были успешно реализованы в нескольких экспериментальных проектах. Возможно, САР однажды станет приемлемым для ADSL кодированием, например, как дополнение к ANSI Т1.413, что связано в основном с запаздыванием развития систем на основе DMT.

Структура кадра ADSL

Для обсуждения битового потока ADSL между ATU R и ATU C достаточно уяснить структуру бит внутри отдельного кадра из суперкадра ADSL. Она проста, поскольку каждый кадр ADSL внутри суперкадра имеет фиксированный формат. Для каждого буфера данных, быстрого или чередующегося, кадр берет заданное количество байтов (октетов) из несущего канала AS0, затем из AS1 и так далее до AS2. За ними следуют байты LS0, LS2 и, наконец, LS3. Если не существует байтов от некоторого AS или LS, эти области остаются пустыми. Кроме того, добавляются байты накладных расходов, совместно используемые несколькими каналами.

Описание структуры осложняется множеством скоростей линии в ADSL, различных для каждого из направлений. Только транспортные классы придают некоторую связанность этой свободной схеме. Отметим, что любые биты AS или LS могут передаваться в зоне буфера быстрых либо чередующихся данных (внутри кадра ADSL). В ходе инициализации каждый пользовательский поток данных присваивается буферу быстрых или чередующихся данных. Однако, если пользовательский поток AS0 (однонаправленный входящий поток) назначается буферу "быстрых" данных, он уже не может одновременно приписываться зоне буфера чередующихся данных. Другими словами, если кадр ADSL содержит биты для AS0 в зоне кадра буфера "быстрых" данных, то такое же количество битов должно существовать для AS0 в зоне кадра буфера чередующихся данных.

Конфигурации для количества байтов в кадрах ADSL, основанных на транспортных классах, показаны в таблице 9.8. Приведены значения по умолчанию, которые могут быть изменены. Данные соответствуют информации в кадрах ADSL, передаваемых ATU R. Если зона какого-либо буфера имеет ненулевое значение, нулевым должно быть соответствующее значение в другом буфере.

В завершение обсуждения кадров и суперкадров ADSL отметим, что транспортный класс 1 в конфигурации по умолчанию выделяет 96 байт для AS0 и AS1 в каждом кадре ADSL. Поскольку каждый байт содержит 8 бит, а 4000 кадров ADSL посылаются каждую секунду независимо от размера кадра, битовые скорости на несущих каналах AS0 и AS1 равны 3.072 Мбит/с (96 байт x 8 бит/байт x 4000/с). И действительно, два несущих канала входящего потока работают на скорости 3.072 Мбит/с для одного из вариантов транспортного класса 1. В этом случае на основе размера буфера по умолчанию получается эффективная конфигурация по умолчанию. Отметим, что канал LS0 работает при 64 кбит/с в обоих направлениях (2 байт X 8 бит/байт X 4000/с).

Таблица 9.8 Выделение буферов по умолчанию для транспортных классов, кратных 1.536 Мбит/с

Рис. 9.3 Структура кадра ADSL при размере буфера по умолчанию для транспортного класса 1

Отправляемая ATU C структура кадра ADSL на базе транспортного класса 1 показана на Рис. 9.3. Должен присутствовать быстрый байт, но все байты данных извлекаются из буфера чередующихся данных.

Конечно, существует аналогичный вариант по умолчанию для транспортных классов, кратных 2.048 Мбит/с (см. таблицу 9.9).

Таблица 9.9 Выделение буферов по умолчанию для транспортных классов, кратных 2.048 Мбит/с

Как и ранее, рассмотрим транспортный класс 2М 1 с AS0, AS1 и AS2. Все каналы посылают 64 байт в каждом кадре ADSL. Следовательно, существуют три несущих входящих потока, работающих при 2.048 Мбит/с (64 байт X 8 бит/байт X 4000/с), а три таких канала устанавливаются как один из вариантов транспортного класса 2М 1. В этом случае на основе размеров буферов по умолчанию формируется конфигурация по умолчанию. В такой конфигурации канал LS0 работает при 64 кбит/с в обоих направлениях (2 байт X 8 бит/байт X 4000/с).

Рис. 9.4 Структура кадра ADSL при размере буфера по умолчанию для транспортного класса 2М 1

На Рис. 9.4 показана структура кадра ADSL, отправляемого ATU C на основании выделения буфера по умолчанию для транспортного класса 2М 1. Как и раньше, должен присутствовать быстрый байт.  

Суперкадр ADSL

Устройства ADSL, в частности ATU C и ATU R, обмениваются битами по методу кодирования для линии, обычно DMT (стандартный вариант) или САР. Однако важны не сами биты, а переносимая ими информация. Как будет представлен пакет IP битами ADSL? Как формируются ячейки ATM, видео в формате MPEG или цифровое аудио по системе Dolby? Как передатчик может указать приемнику ADSL на пересылаемую в битах информацию, когда все типы данных могут передаваться одновременно от/к мультимедийным устройствам? Все это выполняется в суперкадре ADSL.

Рис. 9.1 Суперкадр ADSL

Сегодня все протоколы, включая ADSL, имеют многоуровневую структуру. На самом нижнем уровне описываются биты, представляющие коды DMT или САР. Биты объединяются в кадры, из которых в ADSL формируется суперкадр (superframe). Кадры - это "упорядоченные битовые структуры", т.е. то, что отсылается передатчиком и поступает в приемник. Суперкадр ADSL имеет больше общего с кадром или суперкадром T1, чем с кадрами локальной сети Ethernet. На практике кадр Ethernet может содержаться внутри суперкадра ADSL, общая структура которого показана на Рис. 9.1.

В ADSL суперкадр делится на последовательность из 68 обычных кадров ADSL. Некоторые кадры имеют специальное назначение. Кадры 0 и 1, например, несут информацию для коррекции ошибок (циклический избыточный код - CRC) и индикаторные биты (ib), используемые для управления линией. Другие индикаторные биты переносятся в кадрах 34 и 35. Специальный кадр синхронизации завершает суперкадр и не несет никакой пользовательской информации. Один суперкадр ADSL отправляется каждые 17 мс. Поскольку соединение ADSL является связью "точка-точка", для этого уровня ADSL не требуется никаких кадров адреса или идентификатора соединения.

Внутри суперкадра находятся кадры ADSL. Они отправляются каждые 250 мкс (1/4000 с) и состоят из двух основных частей. Первая часть - это быстрые данные, чувствительные к задержкам, но терпимые к шумам (например, аудио и видео) от другого оборудования, и в ADSL стараются сохранить связанную с ними задержку на минимальном уровне. В это место кадра помещается содержимое быстрого буфера данных. Специальный байт, именуемый быстрым (fast byte), стоит в начале этого раздела и несет CRC и индикаторные биты, если это необходимо. Быстрые данные защищаются полем FEC от ошибки в данных (аудиокадры вряд ли могут быть посланы повторно).

Вторая часть кадра содержит информацию из буфера чередующихся данных, которая упаковывается таким образом, чтобы сократить влияние шума за счет увеличения времени обработки и задержки. Чередование (перемешивание) битов различных данных делает их менее чувствительными к шумам. Эта часть кадра предназначена в основном для приложений работы с данными, такими как высокоскоростной доступ к Интернету. Все содержимое кадра перемешивается перед отправкой для минимизации возможной "ложной" синхронизации суперкадра. Это общая практика для любого транспорта на основе кадров.

В суперкадре ADSL не существует абсолютных размеров для отдельных кадров. Поскольку различны скорости линий ADSL, которые несомненно асимметричны, то могут меняться и размеры кадров. Однако кадры ограничиваются в том смысле, что они должны посылаться каждые 250 мкс (быстрые и чередующиеся - каждые 125 мкс), а суперкадр отправляется каждые 17 мс. Естественно, максимальная скорость линии ADSL устанавливает максимальный размер кадра. Размеры буферов определяются скоростью и структурой несущих каналов, когда выполняется первоначальное конфигурирование. Ничто не мешает реконфигурировать размеры буферов во время работы соединения ADSL, но такая возможность не предусмотрена в текущей спецификации.

Нет ограничений на то, как или какие потоки бит пользователя заполняют быстрые и чередующиеся буферы. Это выходит за рамки стандарта ADSL, который просто предоставляет механизм для передачи данных.

Как упоминалось выше, кадры 0, 1, 34 и 35 выполняют в суперкадре ADSL специальную роль. Они переносят циклическую избыточную сумму суперкадра и различные индикаторные биты, представляющие собой накладные расходы. Кадры от 2 до 33 и от 36 до 67 также содержат информацию, относящуюся к накладным расходам, но представленную встроенным каналом операций (eoc) и каналом управления синхронизацией (sc, synchronization control). Все эти данные находятся в разделе быстрых данных каждого кадра из суперкадра ADSL.

 Эхо-подавление и DSL

Одна из форм эхо-подавления требуется, когда один диапазон частот служит для одновременной передачи сигналов в обоих направлениях по одному физическому пути.

Как правило, эхо-сигнал возникает из-за несогласования сопротивлений по пути следования сигнала. Другими словами, некоторая часть сигнала отражается обратно к передатчику. Когда один диапазон частот используется в обоих направлениях, отраженный сигнал можно перепутать с сигналом, генерируемым на удаленном конце цепи. Эхо-подавление предполагает электронное "вычитание" посланного сигнала из принятого сигнала, что позволяет выявить сигналы, посланные с удаленного конца цепи.

Один из способов эхо-подавления - разделение диапазонов частот исходящего и входящего потоков (простое мультиплексирование с разделением частот, FDM). В этом случае нет необходимости в управлении эхосигналом на удаленном конце.

Рис. 8.4 Эхо-подавление в ADSL

В верхней части Рис. 8.4 отображена ситуация, когда в ADSL не применяется эхо-подавление. Используются диапазон частот 4 кГц для аналоговых телефонных линий, типичная в ADSL для исходящего потока (от дома) полоса шириной 175 кГц и приблизительно 900 кГц для трафика входящего потока (к дому). Эта асимметричная структура и прямое применение FDM избавляют оконечные устройства ADSL от схем эхо-подавления.

Однако базовое FDM не является наиболее приемлемым использованием доступной полосы пропускания. В нижней части Рис. 8.4 показан более эффективный подход, когда (в действительности) перекрываются полосы пропускания исходящего и входящего потока. Теперь даже при частичном перекрытии потребуются схемы эхо-подавления в устройствах ADSL.

Устройства ADSL на основе САР обычно используют FDM-подход, в то время как устройства ADSL с DMT обычно применяют эхо-подавление, хотя и существует несколько исключений. Вариант с эхо-подавлением называется эхо-FDM в силу асимметричности устройства. В общем существуют системы и оборудование "FDM ADSL" и "эхо-подавления в ADSL".

 HDSL на одной паре: SDSL

SDSL обычно расшифровывается как симметричная DSL (symmetric DSL), но поскольку HDSL (и несколько других вариантов xDSL) также симметрична, такое определение не слишком точно. Технология SDSL начиналась с деления пополам систем HDSL на двух парах проводников. Таким образом, SDSL функционирует на скорости 784 кбит/с по единственной паре.

Позднее SDSL стала определяться как "однопарная" HDSL, что больше соответствует истине, поскольку SDSL, имея много общего с HDSL, работает на единственной паре. Первоначально для некоторых вариантов HDSL требовались три пары (например, для поддержки скоростей E1 на 2.048 Мбит/с).

Применение нескольких пар проводов для домашнего пользователя не является идеальным вариантом. Преобразование аналоговых локальных линий в цифровые будет проще, если DSL будет использовать одну существующую пару проводов, т.е. по схеме SDSL.

Как только появилась идея SDSL, разработчики оборудования стали предлагать различные варианты: с высокими скоростями обмена (1.5 и 2.0 Мбит/с), но на ограниченных расстояниях или с меньшими скоростями (384 кбит/с), но на больших расстояниях. Менее скоростная версия SDSL иногда называется MDSL, хотя она не является основополагающей технологией DSL.

Несмотря на популярность HDSL и ожидание выхода стандарта HDSL2, SDSL сохранила свое место в мире DSL. На Рис. 6.4 показана система SDSL, используемая в схеме с выигрышем пары.

Рис. 6.4 Архитектура SDSL в системе с выигрышем пары

Терминал центральной станции и удаленный терминал соединены несколькими T1 в соответствии с общей архитектурой зоны обслуживания местной компании (carrier serving area). Обычно требуются две пары от удаленного терминала (RT, remote terminal) до клиента для поддержки скорости T1 в 1.544 Мбит/с. Однако наиболее распространенные RT поддерживают четыре T1, так что такая архитектура несколько ограничена, если основная цель заключается в предоставлении клиенту полных скоростей T1. Но для домашних офисов и пользователей вполне подойдет только часть от T1, если одновременно будет снижена и цена. Возможно, клиенту нужно лишь 256 кбит/с (четыре канала по 64 кбит/с) или даже 128 кбит/с (два канала по 64 кбит/с), тогда возможности T1 в RT не будут быстро исчерпаны. Именно для этого предназначены SDSL и ее варианты.

В действительности не существует устройства STU, по крайней мере, как стандартного, хотя его функции реализует RT. К клиенту идет только одна пара проводов, что требует применения модифицированного фракционного мультиплексора T1 (технически - модифицированного устройства CSU). Полудуплексный режим предполагает скорости от 128 кбит/с до 768 кбит/с (в зависимости от ситуации) по единственной паре проводников. Скорость 128 кбит/с обеспечивается полосой пропускания двух каналов 64 кбит/с, а скорость 768 кбит/с - двенадцати таких каналов.

SDSL позволяет провайдеру обеспечивать услуги DSL на основании трех основных параметров: стоимости, расстояния и скорости. Клиенты выбирают различные варианты SDSL с учетом производительности, расстояния от местной станции и своего бюджета. Обычно провайдеры оценивают свои услуги по неравномерной шкале тарифов.

Поддерживаемые в SDSL на настоящий момент максимальные скорости и расстояния показаны в таблице 6.2.

SDSL продолжит свое существование как разновидность HDSL даже после появления HDSL2.

Таблица 6.2 Скорости и расстояния SDSL

IDSL и ISDN

Какое будущее уготовано ISDN в мире xDSL? Еще много лет назад ISDN предназначалась для преобразования аналоговых локальных линий в цифровые и стала самой первой технологией xDSL. Существует ли сейчас место для ISDN?

Движение к xDSL началось с ограничений на скорости BRI (интерфейс базового уровня) в цифровых линиях. Необходимость большей полосы пропускания, особенно для видеоуслуг, привела сначала к HDSL, а затем к ADSL и VDSL.

Каналы ISDN могут быть сгруппированы (связаны вместе) для обеспечения более высоких скоростей передачи битов и для получения в PRI (первичный интерфейс) скорости 768 кбит/с (но не в BRI). Именно поиск лучших (более рентабельных) способов расширения полосы пропускания PRI на аналоговых локальных линиях привел к технологии HDSL.

В целом недостатки ISDN заключаются не в ограничениях BRI и PRI по скорости, а в работе ISDN через телефонный коммутатор. Именно здесь связывание магистралей и коммутаторов становится серьезной проблемой. Сегодня уже не существует чисто телефонных услуг, и ISDN выглядит все больше и больше как технология, без которой люди вполне могут обойтись (учитывая стоимость доработки коммутатора центральной станции для ISDN, равную примерно $500 000).

Конечным результатом многих лет преобразований и работы ISDN стала неодинаковая доступность этой службы в различных регионах (иногда буквально по номерам домов), нестабильность стоимости услуг (увеличивается, уменьшается или остается на прежнем уровне) и недовольство пользователей блокированием коммутаторов и магистралей.

История развития ISDN в США не была безоблачной, однако будущее не обязательно будет мрачным. ISDN состоит из двух компонентов: цифровой сети (DN, digital network) и интегрированных служб (IS, integrated services). В приложении к большинству домашних офисов и пользователей DN предполагает существование цифровой абонентской линии (DSL, digital subscriber line) со скоростью 144 кбит/с (BRI) и с кодированием 2B1Q (два двоичных, один четверичный). Службы ISDN должны быть коммутируемыми. Привлекательным свойством ISDN должно стать оказание комплексных телефонных, видео и информационных услуг.

Во многих местах ISDN DSL для BRI использовалась как "битовый канал" на 144 кбит/с. Два В канала обеспечивали постоянное соединение и применялись подобно выделенной линии на 128 кбит/с, ведущей к коммутационной станции. Канал 16 кбит/с для сигналов присутствовал, но по нему информация не передавалась. На центральной станции линия заканчивалась на перемычке с другими DSL из других районов. Следовательно, не были доступны реальные услуги ISDN.

Зачем тогда беспокоиться об ISDN DSL? Оказывается, что это было распространенной схемой за пределами США, позволявшей провайдерам проникать на рынок цифровых выделенных линий без проводки новых кабелей. (Выделенные линии были редки и дороги за пределами США по экономическим и политическим причинам.) Можно было использовать стандартные механизмы ISDN DSL для формирования цифровых линий, что и требовалось для служб цифровых данных (DDS, Digital Data Service). He было необходимости в изменении программного обеспечения коммутаторов ISDN, что стало очень популярным в Южной Америке. Можно ли преобразовать ISDN DSL в архитектуру xDSL?

Возможно, xDSL-стандарты могут быть переопределены для поддержки ISDN DSL и для использования новых служб xDSL (видео и доступ к Интернету) в смысле интегрированных служб как один из вариантов. Эта идея формирует то, что иногда называется ISDL (ISDN DSL поверх xDSL). Такой процесс потребует умеренного пересмотра стандартов, которые и так постоянно переопределяются.

Рис. 6.8 Два устройства IDSL, работающие на паре проводов

На Рис. 6.8 показана схема IDSL со скоростью работы 160 кбит/с по одной паре проводов. Линия организована на основе обычных каналов BRI и службы 2B+D с общей производительностью в 144 кбит/с. На стороне клиента можно установить (или продолжить использование) любое совместимое с ISDN оборудование ТА или ТЕ, обеспечивающее прекрасную обратную совместимость. На местной станции игнорируются все сигналы по D каналу, поскольку IDSL все же остается службой по частной линии. Это не ограничение возможностей, поскольку большинство домашних пользователей применяют сегодня ISDN для доступа к Интернету или к корпоративной интранет. В обоих случаях подойдет технология IDSL.

Другое преимущество работы новых служб xDSL через IDSL - отсутствие преобразования коммутатора центральной станции для ISDN (при цене около $500 000 за коммутатор).

IDSL выглядит как схема, которую разумно развивать и в будущем.

Дискретное многотоновое кодирование (DMT)

На Рис. 8.6 представлено дискретное многотоновое кодирование (DMT, discrete multitone) для ADSL-устройства на обычной локальной линии. В верхней части показана некоторая идеальная ситуация, например, при использовании цельного медного кабеля с номером 24 и длиной менее 18 000 футов без значительного внешнего шума (большая удача найти хотя бы одну такую линию). Затухание связано только с расстоянием и используемой частотой. Нижняя часть отражает реальную ситуацию.

Прежде всего рассмотрим идеальный вариант. В левой части диапазона частот существует максимум для количества битов в секунду на поднесущую (подканал), которое сможет получать и принимать данное устройство. Однако ниже представлена характеристика типичной линии. Усиление (обратно к затуханию) становится лучше или хуже в зависимости от частоты. При больших частотах доминирует влияние расстояния, а на меньших - импульсные шумы и перекрестные помехи. Это оставляет для сигналов широкий средний диапазон (от около 25 кГц до 1.1 МГц) с медленным снижением усиления при увеличении частоты.

Рис. 8.6 Работа DMT

Устройство DMT может измерить усиление на каждой поднесущей и подстроить для канала скорость передачи таким образом, чтобы отражать реальный профиль усиления (см. верхний правый график на Рис. 8.6).

Реальный мир не столь идеален. Средний график в нижней части рисунка показывает профиль усиления реальной линии. Видны два недостатка.

Во-первых, четко различима "зазубрина" от параллельного отвода, который действует при перемещении сигнала как участок цепи с большой задержкой. Возвращающийся сигнал взаимодействует с основным сигналом. Размещение "зазубрины" относительно частотного диапазона зависит от длины волны отвода. Однако та или иная частота будет подвержена влиянию стоячей волны. Второй недостаток связан с шумом от расположенной поблизости радиостанции. Станции вещают в том же верхнем диапазоне частот (или "килогерцовом", как говорят об AM-радио), в котором обычно принимают сигналы устройства ADSL. Поскольку локальные линии являются длинными антеннами, неудивительно, что появляется этот сигнал (аналоговый телефон, работающий в полосе 4 кГц, имеет иммунитет к влиянию AM-станций).

Отметим, что устройство с DMT (см. Рис. 8.6) способно адаптироваться к скорости передачи по мере изменения каналами способности поддержки данной скорости пересылки битов.

2B1Q и ISDN

Рассмотрим взаимосвязь между кодированием 2B1Q для линии и технологией ISDN. Кодирование 2B1Q (два двоичных и один четверичный) предназначалось для использования в ISDN DSL. Это четырехуровневый код для линии связи (отсюда - "четверичный"), представляющий два двоичных бита (2В) как один четверичный символ (1Q). Кодирование 2B1Q рассматривалось как улучшение первоначально принятого для линии T1 биполярного попеременного кодирования с обращением знака (биполярного AMI - bipolar alternate mark inversion), поскольку в 2B1Q одному состоянию сигнала на линии (бод) соответствуют два бита., вместо одного. Это также означает, что современное соединение ISDN, использующее BRI на 160 кбит/с (два В канала по 64 кбит/с плюс D канал на 16 кбит/с плюс еще один канал на 16 кбит/с), работает со скоростью 80 тысяч символов в секунду (80 Кбод), вместо 160 Кбод.

Кодирование 2B1Q задумывалось для обеспечения скоростей ISDN BRI (144 кбит/с плюс накладные затраты в линии) на локальных линиях до 18 000 футов по одной паре проводов, хотя в основном получалась скорость в 144 кбит/с с полнодуплексным режимом в каждом направлении и в том же диапазоне частот.

Как соотносятся 2B1Q и xDSL? Кодирование 2B1Q не достаточно для многомегабитовых скоростей на больших расстояниях. Хотя 2B1Q использует меньшую полосу пропускания, чем биполярное AMI, 2B1Q все же занимает диапазон частот передачи аналогового голоса на аналоговых локальных линиях. На Рис. 6.3 показаны диапазоны частот для различных методов кодирования. Кодирование с амплитудно-фазовой модуляцией без несущей (САР, carrierless amplitude/phase) для HDSL использует гораздо меньшую часть доступного в витых парах спектра, чем биполярное AMI или 2B1Q.

Рис. 6.3 Диапазоны частот кодирования биполярного AMI, 2B1Q и САР

Кодирование САР, как и любой другой метод модуляции пропускной способности линии, сохраняет диапазон от 300 до 3300 Гц для аналоговых телефонных служб (см. ниже). Технология 2B1Q устарела уже к середине 90 х гг. Возможно, для новых технологий DSL кодирование 2B1Q не является наилучшим решением.

Обсудим различные методы кодирования сигналов линий для технологий DSL. Известный код 2B1Q для ISDN является членом семейства кодов с амплитудно-импульсной модуляцией (РАМ, Pulse Amplitude Modulation). Для подстройки кодирования под технологии DSL РАМ оптимизируется с помощью формирования спектра (spectral shaping). Это означает, что код РАМ не должен "опускаться до частоты 0 Гц" или добавлять составляющую постоянного тока в линии доступа. Код РАМ, оптимизированный или нет, во многом отличается от САР и QAM, оставаясь кодом "в основной полосе частот" (определение этого термина трудно дать без узкоспециализированных понятий).

Каждый раз, когда предлагается новый "тип" технологии xDSL, разворачиваются дебаты вокруг использования кодов РАМ, САР и QAM. Обращают внимание на 3 основных момента:

1.        Использует ли код естественным образом всю имеющуюся полосу пропускания?

2.        Насколько эффективным является код в плане скоростей и расстояний?

3.        Подвержен ли код внешнему влиянию со стороны других схем кодирования, используемых в ближайших парах проводов?

В ISDN BRI применялась одна пара проводов. Но поскольку остальные схемы ISDN предполагают работу на двух парах, нужно использовать внутри оборудования DSL специальное устройство для подавления эхо-сигнала. (В общем случае подавление эхо-сигнала необходимо для любой полнодуплексной передачи на одном проводе и в одном диапазоне частот для принимаемого и получаемого сигналов.) Эхо-подавление требуется для полнодуплексных и дальних телефонных разговоров, а также для полнодуплексных цифровых линий с разделяемой частотой, т.е. для аналогового телефона, ISDN и xDSL. Когда один и тот же диапазон частот одновременно используется сигналами в двух противоположных направлениях, нужна одна из форм подавления эхо-сигнала независимо от того, является ли сигнал аналоговым или цифровым.

Более того, все выпущенные после 1980 г. модемы использовали собственные методы эхо-подавления для выполнения полнодуплексных операций в полосе пропускания диапазона частот голоса (300 - 3300 Гц) на аналоговых линиях с единственной парой.

В HDSL используется не только 2B1Q. Могут применяться и другие схемы кодирования, например САР или двойная многотональная (многотоновая) модуляция (DMT, dual multitone modulation), хотя и чрезвычайно редко.