Например, для П = 0,2 МГц и C/N = 40 dB, теоретический предел скорости цифрового потока согласно (1) составляет 2,4 Мбит/с. Какова же будет предельная скорость цифрового потока при расширении полосы канала до 6,4 МГц (т.е. в 32 раза)? На первый взгляд ответ очевиден. Если полосу канала расширили в 32 раза, то и скорость потока должна увеличиться в 32 раза, т.е. до 76,8 Мбит/с. Но это не так. Дело в том, что с увеличением полосы канала П, понижается реализуемое C/N на величину: (2)

а максимально достижимая информационная скорость согласно (2) достигнет величины только в 48 Мбит/с (т.е. увеличение составит в 20 раз). С целью увеличения скорости цифрового потока при ограниченной полосе пропускания, используют сложные форматы модуляции, как например, 4 QAM (QPSK), 16 QAM и даже 128 QAM (DOCSIS 2.0). Чем выше формат модуляции (разрядность), тем выше скорость цифрового потока. Однако, более высокий формат модуляции требует более высокого значения C/N.

Отметим также, что достичь теоретического предела Шеннона (см. формулу 1) на практике не удается никогда. При приближении к теоретическому пределу растет вероятность возникновения ошибки (BER), что влечет за собой необходимость повторной передачи информации (ошибочного фрагменте в потоке) и, как следствие, снижение скорости полезной информации (для потребителя) в общем цифровом потоке. Так, стандартом DOCSIS (любой версии) заложен коэффициент запаса не более 50% относительно максимально достижимой скорости передачи для любого формата модуляции.

Какими же факторами обусловлены шумы в реверсном канале? Рассмотрим их.

• Топологическое исполнение сети. Варианты топологических исполнений (разумеется, далеко не все) доходчиво изложены в стандарте DOCSIS 2.0. Здесь же отметим только целесообразность сегментации коаксиального кластера (рис.1), в состав которого входит оптический приемник прямого канала (FC) и один передатчик реверсного канала (RC). Иными словами, речь идет о делении коаксиального кластера на несколько сегментов (рис.2), каждый из которых работает на свой передатчик реверсного направления. При этом все сегменты обслуживаются одним единственным оптическимприемником.

Вполне очевидно, что один приемник может обслуживать до 5.000 – 10.000 абонентов, что позволит минимизировать число дорогостоящих оптических передатчиков прямого канала. А вот цена передатчика RC в десятки раз меньше цены передатчика FC, что влечет за собой существенную экономическую выгоду. Именно с этой целью в последнее время и строят сегментированные ОУ (рис.3), примером которых может служить универсальная оптическая платформа AC 8000 (Teleste, Финляндия).

Именно сегментация позволяет условно разбить весь большой кластер на подкластеры (сегменты), что и дает возможность увеличить C/N (пропорционально числу кластеров) и суммарную скорость цифрового потока реверсного направления, приходящуюся на кластер. В любом случае расчет C/N проводят на сегмент (а не на кластер), нагруженный на конкретный оптический передатчик реверсного канала.

• Приведенный динамический диапазон усилителей реверсного канала является параметром, зависящим от уровня входного сигнала. При этом под уровнем входного сигнала следует понимать амплитуду сигнала, поступающую на вход первого из активных устройств (транзистора или микросхемы). Дело в том, что усилители RC по своему структурному построению отличаются у разных фирм-производителей. Некоторые фирмы традиционно устанавливают аттенюатор и эквалайзер на входе усилителя RC (рис.4а), а некоторые – на выходе RC (рис.4б). В первом случае, при вводе ослабления увеличивается коэффициент шума усилителя на величину вводимого ослабления аттенюатора, также выраженную в децибелах.

А во втором случае при вводе ослабления снижается максимальный уровень выходного сигнала также на величину вводимого ослабления. Таким образом, и в том и в другом случаях снижается приведенный динамический диапазон, определяемый по формуле:

для варианта а) –

  (3)

для варианта б) –

  (4)

где Uвх, Uвых – уровни входного и выходного сигналов усилителя RC с коэффициентом шума F.

Например, при Uвх = 85 dBμV, Uвых = 100 dBμV, Кном = 22 dB, F = 6 dB и П = 3,2 МГц, C/N = 61,7 dB для варианта а) и C/N = 68,7 dB для варианта б). Как видно, в обоих случаях приведенный динамический диапазон составляет большую величину1). Различие в 7 dB заключается в величине введенного ослабления аттенюатора. Тем не менее, следует отметить, что реальный уровень сигнала, снимаемый с выходной микросхемы (или транзистора) для варианта б) составляет для приведенного примера 107 dBμV (100 + 7), что является довольно значительной величиной в части вносимых искажений (типовое значение U max = 114…116 dBμV). Для случая а) выходной уровень выходного активного устройства составляет всего dBμV). Для случая а) выходной уровень выходного активного устройства составляет всего 100 dBμV. При таком выходном уровне нелинейными искажениями в RC можно пренебречь.

Из выше изложенного можно сделать практический вывод, что для усилителей, устанавливаемых в магистралях (работают при пониженных входных уровнях), целесообразно использование усилителей RC с аттенюатором (обычно и с эквалайзером), устанавливаемым на его выходе (вариант рис.4б). А для усилителей, устанавливаемых в домовых сетях (работают при повышенных входных уровнях), целесообразно использование усилителей RC с аттенюатором, устанавливаемым на его входе (вариант рис.4а).

• Уровень входного сигнала Uвх играет также важную роль в формировании суммарного C/N. Очевидно (см. рис.5), что чем больше уровень входного сигнала, тем больше C/N. Типовое значение уровня входного сигнала обычно именуется системным уровнем. Опыт проектирования интерактивных СКТ показывает, что типовой уровень входного сигнала должен быть не менее 75…80 dBμV для домовых усилителей (шумы ингрессии проявляются именно в домовых сетях от бытовых электроприборов) и не менее 60…65 dBμV для магистральных усилителей.

• Число усилителей в рассматриваемом кластере (сегменте) – N. Отношение C/NΣ, обязанное только тепловым шумам усилителей RC, вычисляется по формуле:

  (5)

Например для C/N = 61,7 dB (собственный приведенный динамический диапазон каждого из усилителей RC в кластере) и N = 40 (очень большой кластер), суммарное C/NΣ = 45,7 dB. Формула (5) справедлива при двух условиях:

а) равенства уровней сигналов на входе (для RC это общий выход) любого из разветвителей (рис.6) по всем суммируемым направлениям. Данное условие легко реализуемо на практике и всегда выполняется с той или иной погрешностью;

б) равенства С/N каждого из усилителей RC. Данное условие не всегда выполнимо на практике. В силу этого специалистами компании “Контур-М” разработана комплексная программа по расчету реверсного канала, включая C/N (для всех случаев), интермодуляционных искажений (IMD) и скоростей цифровых потоков (SR) по каждому из направлений (входам приемников-демодуляторов CMTS).

Однако, расхождения в C/N каждого из усилителей не велики и при пользовании формулой (5) можно принимать усредненное значение C/N или наихудшее значение. При необходимости точного расчета:

  (6)

где C/NN - отношение несущая/шум N-го усилителя RC2).

• Отношение несущая/шум кабельного модема - C/NCM. Согласно стандарта DOCSIS минимальное значение C/NCM= 40 dB (при максимальной полосе пропускания). Данные шумы появляются только во время передачи (посылки) СМ. Чем больше выходной уровень СМ, тем больше и абсолютный уровень шумов. Легко показать и важно отметить, что суммарный уровень тепловых шумов в RC не зависит от выходного уровня СМ3). Здесь только заметим, что некоторые производители стали выпускать модемы с C/NCM ≥ 50 dB (например, Terayon, США). Тем не менее, расчеты лучше выполнять для наихудшего случая (C/NCM = 40 dB), т.к. модемы в сети могут со временем меняться.

• Уровни шумов СМ во временных интервалах между посылками. Очевидно, что в перерывах между посылками СМ продолжает шуметь, хотя и находится в условно закрытом состоянии. Уровень этих шумов согласно стандарта DOCSIS составляет –72 dBc (т.е. шумы находятся на уровне –72 dB относительно уровня несущей при ее посылке), но не менее 5 dBμV (при низких уровнях выходной мощности). Так, при Uвых = 110 dBμV, UШ = 38 dBμV.

• Число включенных модемов – NM. Действительно, чем больше включено СМ в данный момент времени (даже если они и не совершают посылок), тем большая мощность шумов накапливается в RC. Причем, необходимо отметить, что NM включает в себя общее число включенных модемов в данный момент времени вне зависимости от числа RC в выделенном диапазоне реверсного канала.

• Отношение несущая/шум оптической системы – C/NO. В данном случае рассматривается реверсное направление передатчик – приемник. К расчету этого отношения необходимо относиться крайне внимательно, т.к. на практике именно оптическая система вносит существенный вклад в накопление шумов. Если по данной оптической жиле реверсного направления суммируются несколько кластеров, то их шумы необходимо суммировать по формулам (5) или (6).

• Полоса канала – П. Действительно, чем шире полоса канала, тем б о льшая мощность шумов в ней накапливается. Данный вопрос обсуждался в начале настоящего подраздела.

• Шумы ингрессии – C/NИН. Если тепловые шумы легко поддаются теории, то шумы ингрессии носят случайный, хаотичный характер и никаким теоретическим расчетам не поддаются. Тем не менее, именно шумы ингрессии вносят ощутимый вклад в итоговое отношение несущая/помеха (C/NRC), формируемое на входе приемника RC CMTS.

Существует три наиболее эффективных способа защиты от шумов ингрессии:

а) Увеличение уровня выходного сигнала с СМ – Uмод. Можно рекомендовать величину 105 … 110 dBμV, оставляя технологический запас на погрешности расчетов и климатические воздействия на СКТ в целом (напомним, что максимальное значение не должно превышать 114 dBμV.

б) Использование абонентских кабелей с максимальным коэффициентом радиоэкранной защиты с целью снижения напряжения шумов – UИН. Опыт измерения шумов ингрессии на абонентских отводах позволяет судить, что их величина лежит обычно в пределах 28 … 46 dBμV и зависит от множества факторов: видов и числа включенных электробытовых приборов, близости наличия радиостанций, частотного диапазона и т.п. Особенно сильно зашумленным оказывается частотный диапазон 5 – 15 МГц, который и не рекомендуется к использованию. При проведении расчетов целесообразно задаваться величиной UИН = 32…42 dBμV при коэффициенте радиоэкранной защиты абонентского кабеля в 75 dB. При коэффициенте радиоэкранной защиты в 65 dB это значении необходимо увеличить на 10 dB и т.д.

Расчет отношения несущая/помеха4) в RC осуществляют по формуле:

  (7)

Здесь:

  (8)
   (9)

Так, для рассматриваемого нами случая:

C/N = 61,7 dB, П = 3,2 МГц, C/NСМ = 40 dB, N = 40, Na = 2500, NM = 36 dBμV и Uмод = 105 dBμV: C/NRC = 32,3 dB.

1) Напомним, что согласно DOCSIS, C/N ≥ 25 dB.

2) Суммируются шумы всех усилителей, вне зависимости от места их установки в данном кластере.

3) Здесь все формулы приводятся без доказательства.

4) Под помехой понимаются тепловые шумы и шумы ингрессии, как оговорено стандартом DOCSIS.