Bragt i Computerworld d. 3. juli 2014
Vi skal snakke kabler, og for at det ikke skal fylde en hel bog holder jeg det på et nogenlunde overordnet plan. Men jeg er alligevel nødt til at slå nogle begreber fast, for at den kommende artikelserie giver mening.
Basis for al kommunikation mellem A og B er at et signal, x, sendes fra A. I den anden ende modtager B så det signal som y. I det ideelle tilfælde modtages signalet fuldstændig uændret, altså y=x og alle er glade. Den vej som signalet rejser mellem A og B kaldes transmissionskanalen, H, og det modtagne signal y kan således udtrykkes som en funktion af H og x, altså y=H*x. I det ideelle tilfælde er H=1, således at y=1*x = x. Dimensionen for x og y er typisk spænding (V), og H er dimensionsløs, og udtrykkes i dB (decibel, en logaritmisk skala). Sidst skal vi huske på, at alle de ovenstående udtryk er frekvensafhængige, altså y(f) = H(f)*x(f).
Emnet for denne artikel er transmissionskanalen, H(f), som i DSL’s tilfælde udgøres af kobberkablerne. Med telegrafen i 1860’erne benyttede man én leder mellem sender og modtager, og brugte så jorden som returvej. Dette blev med telefoniens fødsel lavet om i slutningen af 1800 tallet, hvor man begyndte at benytte to parsnoede ledere, og dette princip har holdt helt til i dag, og er fælles for alle de loop-typer som DSL vil møde i acces nettet. De ældste kobber kabler stadig i drift i Danmark er fra ca. 1910.
Så hermed har vi det basale telekabel defineret. Et snoet kabel-par mellem central og slutbruger (et Twisted Pair). Grunden til at lederne snos er, at det reducerer følsomheden for støj. Som billedet illustrerer så pakkes mange kabelpar i det der kaldes en bindergroup eller trunk, som kan bestå af nogle få par og helt op til tusindevis af individuelle par afhængig af hvor på strækningen kablet findes.
I dag er telekabler gravet ned men sådan har det ikke altid været. Dette billede er taget i New York omkring 1887, hvor man efterhånden erkendte at det sgu nok ville være en meget god idé at grave dem ned…
Et kabel kan karakteriseres ved en masse fysiske parametre for materialer og dimensioner som vil tage for lang tid at komme ind på her [1], men hvis vi nu betragter de elektriske egenskaber for et kabel par, så kan et kabelsegment beskrives som en resistans (R) i serie med en induktans (L), samt en kapacitans (C) og en konduktans (G) i parallel, og beskrives med disse primære parametre i en såkaldt RLCG model.
Dette ligner meget et filter, hvilket også vil vise sig i de kommende simuleringer. Til sidst vil jeg lige komme ind på en vigtig parameter, som har stor betydning for kablets egenskaber og designet af den analoge frontend på et DSL modem: Den karakteristiske impedans.
En kobberleder har en længde-afhængig modstand på f.eks. 176 Ohm per kilometer når vi snakker CAT5 kabel. Men denne modstand er en ren DC modstand, altså hvis man sætter et batteri i den ene ende og en pære i den anden, kan Ohms lov, U=R*I, benyttes til at beregne strøm og spænding i en steady-state betragtning. Men med et DSL signal sender vi noget konstant foranderligt hen over linjen, og så viser det sig at kablet har det man kalder en karakteristisk impedans, Z_0, som er den modstand et uendeligt langt kabel vil udvise.
Det interessante ved denne parameter er når et signal påtrykkes kablet vil det bevæge sig med ca 2/3 af lysets hastighed ned mod den anden ende. Hvad der sker når signalet rammer den anden ende afhænger af den impedans, Z_L, som det møder. Hvis modtageren er perfekt termineret, altså Z_L = Z_0 ’absorberes’ hele signalet i modtageren. Hvis der imod Z_L ~= Z_0 vil signalet i et vist omfang reflekteres tilbage mod afsenderen. Dette vil for det første betyde et signal der opleves mere dæmpet af modtageren og dernæst vil det næste signal være ’forurenet’ med ekkoet fra det foregående. Z_0 er for telekabler typisk omkring 100 Ohm.
Nok om baggrunden! Lad os sige pænt goddag til et kabel som er nogenlunde repræsentativt for hvad det gennemsnitlige DSL signal møder ude i det danske accesnet: 0,4 mm ledere, isoleret med polyethylene. Kablet er interessant at betragte i både frekvens og tidsdomænerne. Lad os først kigge på frekvens ved at plotte kablets dæmpning som funktion af frekvensen. Vi kigger på frekvenser op til 17MHz, som er den højeste frekvens der benyttes af DSL systemer i Danmark (det kommer måske til at ændre sig… mere om dette i en senere artikel). Plottet indeholder dæmpningen for hhv. et 500 meter og et 1000 meter segment. Der er to interessante ting at lægge mærke til her. For det første kan man se at dæmpningen øges for højere frekvenser, og dernæst at dæmpningen stiger med kablets længde.
I modsætning til f.eks. Ethernet, skal DSL altså kunne håndtere en meget varierende transmissionskanal. Hvordan vi gør dette kommer i en senere artikel.
Tidsdomænet viser vi ved at kigge på hvad der sker, når man påtrykker kablet en impuls, lidt på samme måde som hvis man klapper i hænderne i et rum vil der gå lidt tid før lyden dør ud, vil det elektriske signal målt på kablet først dø ud efter nogen tid. Dette kaldes impuls responsen for kablet. Her kan vi se, at impuls responsen har en varighed på cirka 40 mikrosekunder, hvilket betyder at symbolraten for DSL systemet skal være noget længere end det, for at beskytte mod ISI (inter symbol interferens) – For DSL er den 250 mikrosekunder, eller med andre ord sendes der nye data på linjen 4000 gange i sekundet.
Så langt, så godt. Vi har nu set et godt kabel med de begrænsninger det indebærer. Men kabler er sjældent perfekte, så jeg vil runde denne artikel af med at opridse nogle af de problemer der kan være med kablingen som også skal kunne håndteres af DSL. For det første vil en kabelstrækning mellem central og slutbruger ikke bestå af et langt, ubrudt kabel men af en række segmenter af forskellig længde som er splidset sammen. Sammensplejsningerne kan give dårlig forbindelse over tid, og ikke mindst vil kabelsegmenterne bestå af varierende type og dimension, hvilket betyder at signalet møder en række diskontinuiteter hen over den samlede strækning. Hver af disse giver refleksioner på signalet, som betyder øget dæmpning.
Et af de store problemer som DSL møder, er såkaldte bridged taps, som på dansk kaldes stubbe. En stub er et kabel segment som ikke er i den direkte vej mellem sender og modtager.
Når signalet propagerer gennem kablet og møder en stub vil en del af signalet propagere op ad stubben (signalet splittes).
Når signalet kommer til enden af stubben vil en refleksion opstå (med mindre stubben er perfekt termineret – og det er den sjældent. Det er som regel en ’open’, altså intet tilsluttet). Det reflekterede signal propagerer tilbage ned ad stubben og møder hovedkablet, hvor det atter splittes og en del propagerer mod modtageren og resten tilbage mod senderen. Stubbe kan findes både i access nettet og i slutbrugernes installationer, f.eks. hvis man sætter DSL modemmet til det første telefonstik, og undlader at afbryde de andre telefonstik. Dette burde ikke være et problem hvis du har KAP stik eller multistik:
I en gør det selv installation er det vigtigt at modemmet sidder i første telefonstik, samt at eventuelle flere stik afbrydes umiddelbart efter det første stik.
Hvad betyder en stub så for kablets karakteristik? Lad os først kigge på frekvenskarakteristikken, hvor det fremgår, at refleksionerne giver dyk i frekvensbåndet. Dykkene afhænger af stubbens længde – jo kortere stub, jo højere frekvens for det første dyk i dæmpningskurven..
Så stubbe som er kortere end ca 25 meter vil ikke påvirke ADSL, men når vi snakker VDSL så kan stubbe helt ned til 2-3 meter have betydning, og dermed er installationen i hjemmet specielt vigtig når vi snakker VDSL.
Kigger vi på tidsdomænet vil refleksionerne fra stubbe i sagens natur også have en betydning for impuls responsen for det samlede kabel.
Så stubbe gør at kablets impulsrespons bliver længere. Tager vi det over i lydverdenen kan det sammenlignes med at rummets efterklang bliver længere. Prøv at føre en samtale i et rum med meget hårde overflader, man har svært ved at forstå hvad der bliver sagt fordi ekkoet blander sig med stemmerne.
Nok om kabler i denne omgang. Vi har nu set, at kabler kan være en ganske mangelfuld transmissionskanal, og at det samme modem skal både kunne fungere på et nær perfekt 100 meter kabel og et elendigt 5 kilometer kabel med gamle ledninger og masser af stubbe.
Hvordan det gøres i praksis kommer de følgende artikler til at handle om.
[1] http://en.wikipedia.org/wiki/Cable_theory og http://en.wikipedia.org/wiki/Primary_line_constants