The analysis of inter-cable crosstalk in the Electrotechnical cable systems with frequency bandwidth higher than 500 MHz

УДК 621.316

Анализ межкабельных переходных помех в электротехнических кабельных системах, работающих в диапазоне частот свыше 500 МГЦ

В.М. Артюшенко, К.А. Енютин

Рассмотрены и проанализированы проблемы, связанные с межкабельными переходными помехами в электротехнических кабельных системах, работающих в диапазоне, часто превышающем 500 МГц.

The issues of inter-cable crosstalk in the electrotechnical cable systems with frequency bandwidth often higher than 500 MHz was analyzed and considered.

Введение

В связи с развитием кабельных систем, работающих на частотах свыше 500 МГц, на первый план стали выходить проблемы, связанные с перекрестными наводками от других кабелей, находящихся в общем жгуте [1 - 3]. С повышением частоты передачи сигнала возрос уровень собственного излучения кабелей, но и увеличилось ослабление полезного сигнала. Как известно, значения величин затухания и наводок определяют важнейшую характеристику линии, а именно ее частотный диапазон.

Если двунаправленные наводки и возвратные потери с помощью цифровой обработки сигналов можно подавить и уменьшить битовый коэффициент ошибок до приемлемого уровня, то межка-бельные наводки с помощью процессорной обработки компенсировать невозможно.

То, что эта проблема стала существенной, подтверждают результаты исследований, проведенных компанией ITT NS&S [2].

Рассмотрим и проанализируем вопросы, связанные с межкабельными переходными помехами в электротехнических кабельных системах, работающих в диапазоне, превышающем 500 МГц.

Межкабельная переходная помеха (alien crosstalk) представляет собой перекрестные наводки, вызванные работой других кабелей, находящихся в общем жгуте. Так как сигналы в соседних кабелях неизвестны, то техническая возможность компенсации помехи практически отсутствует.

Как правило, при анализе межкабельной переходной помехи используются методы математического моделирования, в которых исходят из того, что на конкретную цепь передачи информационного сигнала оказывают влияние (стрелки на рис. 1) не менее шести соседних кабелей 1 - 6.

Определение граничных значений осуществляется по принципу суммирования всех отдельных мешающих сигналов (модель Power Sum, (PS)). Например, в случае четырехпарных кабелей (каждая пара на рис. 1 обведена замкнутой линией) мешающее воздействие создается двадцатью четырьмя различными источниками [3].

Рис. 1. Модель влияния при анализе межкабельной переходной помехи

Как известно, различают переходные помехи на ближнем и дальнем концах. Если приемник и создающий для него помеху передатчик находятся на одной стороне кабеля, то речь идет о помехе на ближнем конце (Near End), если приемник и генератор мешающих сигналов подключены к разным концам кабеля, то говорят о переходной помехе на дальнем конце (Far End).

Обычно на практике применяются два метода уменьшения величины межкабельной переходной помехи. Первый - это экранирование отдельных элементов кабельного тракта, при котором экран ослабляет воздействующий сигнал и таким образом подавляет большую часть помехи. Второй -увеличение расстояния между контурами прохождения мешающего и информационного сигналов.

Как правило, это достигается либо за счет выбора конструкции кабеля с учетом подавления помехи, либо посредством соответствующего расположения кабелей на трассе.

Рассмотрим уменьшение величины переходной помехи с помощью соответствующего расположения информационных кабелей. Для этого воспользуемся известным методом измерения переходной помехи, получившим название «молния». Суть данного метода состоит в следующем. На протяжении 100 м, параллельно друг другу, прокладываются два информационных кабеля. После чего на одну из пар кабеля подается сигнал. Затем, увеличивая расстояние между кабелями, фиксируют изменения переходных помех либо на ближнем, либо на дальнем концах (рис. 2). При измерениях методом «молния» длину раскрыва кабеля принято обозначать через У [3].

Рис. 2. Общая схема измерений переходной помехи при использовании метода конфигурации «молния»

Определение межкабельной переходной помехи на ближнем конце

Чтобы получить теоретические зависимости меж-кабельного переходного затухания на ближнем конце (Ао) от частоты при использовании длины раскрыва У в качестве параметра необходимо вначале исследовать максимальное значения длины связи на ближнем конце в зависимости от У.

Экспериментальное определение максимального значения длины связи для переходной помехи на ближнем конце осуществлялось для двух параллельно проложенных кабелей длиной Ь = 100 м в соответствии с конфигурацией «молния» (рис. 3).

Согласно данному методу исследования расстояние между кабелями увеличивалось на ближнем конце. Результаты полученных исследований для затухания на частотах 100 и 500 МГц как функции величины раскрыва У изображены на рис. 4. Из представленных зависимостей видно,

Рис. 3. Схема измерений переходной помехи на ближнем конце при использовании метода конфигурации «молния»

Рис. 4 . Экспериментальная зависимость затухания на частотах 500 (кривая 1) и 100 МГц (кривая 2) от величины раскрыва

что с увеличением частоты эффективная длина связи уменьшается. Так, на частоте 100 МГц протяженность участка влияния составила около 20 м, а на частоте 500 МГц она сократилась до 4 м.

Теоретические кривые зависимости межка-бельного переходного затухания на ближнем конце от частоты для различных длин раскрыва У приведены на рис. 5.

Рис. 5. Теоретическая зависимость межкабельного переходного затухания на ближнем конце от частоты при различной длине раскрыва: кривая 1 - У = 0 м; кривая 2 - У = 10 м; кривая 3 - У = 20 м

Из представленных зависимостей видно, что с увеличением длины раскрыва У возрастает и значение межкабельного переходного затухания, т. е. переходная помеха становится меньше.

На качественном уровне это можно объяснить следующим образом. Сигнал, проходя вдоль кабеля путь от источника помехи до места образования электромагнитной связи, испытывает определенное затухание. Затем, после перехода из одного кабеля в другой, возвращается к ближнему концу, что также приводит к его дальнейшему затуханию. В конечном результате мощность сигнала переходной помехи уменьшается.

Данные предположения были проверены экспериментально. Зависимость межкабельного переходного затухания на ближнем конце от длины раскрыва У на частоте 600 МГц в сравнении с теоретически предсказанными значениями представлена на рис. 6.

Рис. 6. Теоретическое и экспериментальное межкабельное переходное затухание на ближнем конце как функция длины раскрыва У на частоте 600 МГц

Следует отметить, что в общем случае теоретический анализ основывался на том, что рабочее затухание тракта Ар изменяется пропорционально его длине Ь и увеличивается пропорционально ве-

17 0,5

личине Р .

Вследствие статистического характера электромагнитной связи двух цепей по мере роста частоты переходное затухание на ближнем конце А б усиливается пропорционально Р1’5. Переходное затухание на дальнем конце Ад зависит от длины кабеля и линейно возрастает по мере ее увеличения. Кроме того, оно пропорционально затуханию тракта передачи сигнала, а в частотной области меняется пропорционально Р2.

Определение межкабельной переходной помехи на дальнем конце

Экспериментальное определение максимального значения длины связи для переходной помехи на дальнем конце осуществлялось для двух параллельно проложенных кабелей длиной 100 м в соответствии с конфигурацией «молния» (рис. 7).

Теоретический и экспериментальный расчеты зависимости параметра Ад при различной длине

Рис. 7. Схема измерений переходной помехи на дальнем конце при использовании метода конфигурации «молния»

параллельно проложенных кабелей Ь представлены на рис. 8. Анализ этих зависимостей показывает хорошее совпадение теории и эксперимента, что свидетельствует о высокой точности расчетной модели, использованной для определения величины переходного затухания.

Рис. 8. Экспериментальные и теоретические расчеты зависимости межкабельного переходного затухания на дальнем конце от частоты при различной длине параллельно проложенных кабелей: а - Ь = 50 м; б - Ь = 100 м

Частотная зависимость межкабельного переходного затухания на дальнем конце при различной длине раскрыва У приведена на рис. 9.

Заметим, что в данном случае параметром служила длина раскрыва кабелей на дальнем конце.

Рис. 9. Зависимость межкабельного переходного затухания на дальнем конце от частоты при различной длине раскрыва У: кривая 1 - У = 0 м; кривая 2 - У = 5 м; кривая 3 - У = 10 м

Анализ приведенных на рис. 9 зависимостей показывает, что в данном случае влияние длины раскрыва кабелей У проявляется существенно слабее по сравнению с экспериментами на ближнем конце. Это можно объяснить следующим образом. При величине раскрыва У = 10 ми при общей длине тракта Ь = 100 м протяженность длины взаимодействия уменьшается всего на 10%, а общее затухание сигнала в тракте остается неизменным.

Необходимо отметить, что фактические величины межкабельных переходных затуханий имеют несколько большие значения, чем величины представленные на рис. 4, 6, 8 и 9. Связано это с тем, что в данном эксперименте учитывался лишь один источник помехи. Как правило, реальные нормы разрабатываются для модели, где суммарная мощность переходной помехи складывается не от одного, а от нескольких источников помех.

Определение общей переходной помехи

Обе разновидности межкабельных переходных помех (на ближнем и дальнем концах) проявляются одновременно и снижают информационную емкость канала связи. В процессе определения максимально допустимой скорости передачи данных, т.е. канальной емкости С, их обязательно следует учитывать совместно. Это обусловлено тем, что канал связи информационной системы функционирует в дуплексном режиме, т.е. приемник и передатчик работают синхронно.

Как известно, при передаче в условиях воздействия помех важно знать три основных параметра: верхнюю граничную частоту полосы пропускания тракта Рв, мощность сигнала Рс и мощность помехи Рп. Отношение мощности источника информационного сигнала к мощности источника помех называется отношением сигнала к шуму:

= Р /Р

ОСШ С/и- П •

Согласно теореме Шеннона параметры Рв и 50СШ однозначно определяют максимальную ско-

рость передачи данных и информационную емкость канала связи С.

Если принять ширину полосы частот Рв = 625 МГц и предположить, что мешающее воздействие имеет вид белого шума, интенсивность которого соответствует 50СШ = 48,2 дБ, то информационная емкость канала связи составляет 10 Гбит/с.

Данные могут передаваться с указанной скоростью только в том случае, если линейный сигнал согласован с каналом, т.е. задействована полная ширина канала и максимально используется его динамический диапазон.

Например, если передаваемая полоса частот П/ будет меньше максимально возможной Рв, то информационная емкость канала С уменьшится.

На рис. 10 представлены три разновидности интересующих нас затуханий для случая двух параллельно проложенных кабелей длиной 100 м: рабочее затухание тракта передачи Ар, межкабель-ное переходное затухание на ближнем (Аб) и дальнем (Ад) концах. Заметим, что все они обсуждаются Комитетом 1ЕЕЕ 802.3ап с точки зрения нормирования граничных значений.

Кривые, приведенные на графиках рис. 10, показывают, что информационная емкость канала пропорциональна ограниченной ими площади и определяется тремя видами затухания одновременно.

Рис. 10. Зависимость затуханий от частоты в двух параллельных кабелях длиной 100 м: кривая 1 - 10^

На низких частотах доминирующее значение имеет межкабельная переходная помеха на дальнем конце, при переходе в область высоких частот начинает преобладать межкабельная переходная помеха на ближнем конце. Фактическая информационная емкость канала оказывается несколько меньшей по сравнению с той, при которой учитывается только переходная помеха ближнего конца.

На рис. 11 приведены аналогичные характеристики для ситуации, когда два параллельно проложенных кабеля длиной 100 м на ближнем конце разнесены на 10 м, т. е. при У = 10 м.

Рис. 11. Зависимость затуханий от частоты в двух параллельно проложенных кабелях длиной 100 м при длине раскрыва У = 10 м: кривая 1 - 10^

Из представленных на графике зависимостей видно, что межкабельное переходное затухание на дальнем конце практически не поменялось, в отличие от межкабельного переходного затухания на ближнем конце, которое претерпело значительные изменения. При этом резко возросла информационная емкость канала. Это объясняется возможностью использования всего частотного диапазона вплоть до верхней граничной частоты Рв, где рабочее затухание становится численно равным межкабельной переходной помехе на ближнем конце.

Если максимальная частота передаваемого сигнала ограничивается активным сетевым оборудованием (а на практике это бывает именно так), то эффективность мер по улучшению информационной емкости канала за счет разнесения кабелей значительно падает.

Такое повышение емкости связано с тем, что информационный канал позволяет передавать более высокие частоты.

На рис. 12 показана полоса изменения усредненных частотных зависимостей межкабельных переходных затуханий на ближнем конце между двумя 100-метровыми кабелями категории 7.

Как видно из представленных зависимостей, практически во всем частотном диапазоне защищенность от внешней переходной помехи не ниже 80 дБ. В результате потенциальная информацион-

Рис. 12. Усредненные частотные зависимости межкабельного переходного затухания на ближнем конце между двумя 100-метровыми экранированными кабелями категории 7

ная емкость канала по этому кабелю превышает 14 Гбит/с. При условии задействования всех четырех пар и использования подходящего кода линейного сигнала информацию удастся передавать со скоростью свыше 55 Гбит/с.

Таким образом, на основании проведенных исследований можно сделать следующие выводы.

Увеличение расстояния до источника помехи позволяет существенно увеличить информационную емкость проводного канала связи при условии применения соответствующего активного оборудования. В этом случае необходимо использовать адаптивное кодирование линейного сигнала. Если максимальный частотный диапазон ограничен активным сетевым оборудованием, то заметного выигрыша в пропускной способности тракта за счет пространственного разнесения получить не удается.

В идеале, при реализации адаптивного линейного кодирования, оборудование должно обладать способностью подстраиваться под любую разновидность проводки.

ЛИТЕРАТУРА

1. Артюшенко В.М. Анализ взаимного влияния кабельных линий в электротехнических системах. -Электротехнические и информационные комплексы и системы, 2006, т.2, №2, с. 8 - 11.

2. Воловодов А.А. Европейская директива электромагнитной совместимости. - Сети и системы связи, 1997, № 10, с. 30; № 12, с. 48.

3. Альбрехт М. Олер, Дитер В. Шикетанц. Межкабельная переходная помеха: теория и измерение. -ЬАМ, 2006, №01, с. 26 - 32.

Поступила 01. 04. 2008 г.