4 Truyền dẫn đôi dây xoắn
4.5Đặc tính đường truyền
Phần này xem xét đặc tính truyền dẫn của các đường dây điện thoại đôi dây xoắn.
Các đường điện thoại dây xoắn loại 3 có thể được mơ hình hóa tốt cho truyền dẫn tại các tần số lên tới tối thiểu 30 MHz bằng việc sử dụng khái niệm mô hình mạng hai cửa hay lý thuyết "ABCD". Lý thuyết ABCD cũng sẽ được sử dụng để lập mơ hình các mạng 3 cửa được thảo luận trong Phần 3.9. Trong phần này cung cấp chi tiết những cập nhật từ nhiều nghiên cứu khác nhau dẫn tới đặc tính của DSL ở dải tần dưới 30 MHz trên dây dân loại 3. Đối với dây dẫn loại 5, mơ hình này tn theo mơ hình ABCD lên tới 150 MHz.
44 CHƯƠNG 4. TRUYỀN DẪN ĐƠI DÂY XOẮN
các đường truyền đơi dây xoắn. Phần 3.5.2 cũng giới thiệu khái niệm quan trọng về suy hao phản hồi, một số đo về năng lượng phản xạ từ mạch hai cửa. Các phần 3.5.3 và 3.5.4 xem xét các trường hợp đặc biệt về cầu rẽ và cuộn tải. Phần 3.5.5 cho thấy cách tính tốn đặc tính truyền của mạch vòng thuê bao gồm nhiều đoạn và cách liên hệ các hàm truyền đạt với suy hao xen của đường truyền hoặc mạng 2 cửa. Phần 3.5.7 chỉ cách đo các tham số RLCG nhằm đặc trưng hóa mạch vịng và liệt kê các mơ hình cho một số loại đơi dây xoắn thông dụng. Phần 3.5.8 kết luận cùng với việc thảo luận về sự cân bằng và các thành phần tín hiệu dọc và tín hiệu metallicc trên đơi dây xoắn.
4.5.1 Mơ hình "ABCD"
Hình 3.7 cho thấy mạch hai cửa tuyến tính tổng qt. Có một điện áp tại mối cổng và một dòng điện đi vào hoặc đi ra đường trên của mỗi cửa. Hình vẽ và các phương trình rút ra sử dụng chuyển đổi Fourier điện áp và dịng điện, và vì vậy tất cả các đại lượng nói chung là những hàm của tần số. Các điện áp và dòng điện sẽ phụ thuộc vào các trở kháng nguồn (cổng 1) và tải (cổng 2) và các nguồn điện áp nhưng luôn thỏa mãn mối quan hệ ở dạng ma trận:
4.5.2 Đo Hàm truyền đạt và "Suy hao xen"
Các kỹ sư truyền dẫn đôi khi cũng đo trực tiếp đặc tính truyền của đường truyền ở một vài tần số khác nhau. Rất khó đo hàm truyền đạt trực tiếp do các hiệu ứng tải nhưng ta có thể dễ dàng đo được suy hao xen nhờ nó mà hàm truyền đạt có thể tính được nếu trở kháng tải và trở kháng nguồn trong phép đo đã biết trước.
Suy hao xen được tính tốn sử dụng cấu hình cho trên Hình 3.9 bằng cách trước tiên đo điện ápVno(điện áp trong trường hợp khơng có đường truyền và chỉ có duy nhất tảiZLđược nối vào) và sau đó nối đường truyền vào điểm mà Vno đã được đo trước đây và một lần nữa đoVL(điện áp đặt trên tải khi có đường truyền được đặt vào). Vì vậy suy hao xen là
TIL(f) = VL(f) Vno(f) = ZS+ZL A.ZL+B +C.ZS.ZL+D.ZS (4.1) Hàm truyền đạt mà ta cần tính là H=VL/VS, vì vậy H(f) = Vno VS . VL Vno = ZL ZS +ZL.TIL(f) (4.2)
Lưu ý rằng khi Z1 =ZL nghĩa là đường truyền được kết cuối bằng 1 tải có trở kháng bằng trở kháng đặc tính của nó như một thực tế thường gặp và khi đó phương trình 3.54 có thể được viết lại theo T(f) trong phương trình 3.3 thành
H(f) = V1 VS. VL V1 = Z1 ZS+Z1.T(f) (4.3)
4.5. ĐẶC TÍNH ĐƯỜNG TRUYỀN 45
khi đó nó cũng chỉ ra rằng trong trường hợp tải phối hợp trở kháng T(f) = TIL(f). Trong
phần lớn các trường hợp quan tâm trong DSL, đường dây là dài và vì vậy trở kháng nguồn phối hợp với trở kháng đặc tính (trở kháng này bằng trở kháng đầu vào của đường dây khi đường dây là dài) và tất cả mọi trở kháng là thực ở các tần số cao hơn được sử dụng cho truyền dẫn DSL. Trong trường hợp này, hàm truyền đạt đơn giản là 6 dB thấp hơn suy hao xen.
Điểm đáng lưu ý: Khi hàm truyền đạt được tính cho một mạch sử dụng các tham số RLCG, khi đó suy hao xen có thể được tính tốn từ hàm truyền đạt và xấp xỉ 6 dB cao hơn trong điều kiện xấp xỉ như đã trình bày trên.
4.5.3 Cân bằng - Dịng kim loại (metallic hay differential mode) và dòng chảy dọc (longitudinal hay common mode)
Hình 4.1 thảo luận về các dịng điện kim loại và dịng điện dọc trong một đơi dây xoắn (hai dây đồng trong đôi dây xoắn không được xoắn với nhau nhằm đơn giản hóa việc minh họa). Dịng kim loại mang các tín hiệu dự định truyền tới khách hàng hoặc từ phía khách hàng. Dịng điện như vậy đi đến trở kháng tảiZL như đã thảo luận trước đây. Dòng điện dọc là dòng chảy vào đất và trong trường hợp này hai dây làm việc hiệu quả như một dây với đường trở về thơng qua đất. Các dịng dọc có thể được tạo ra bởi các sóng radio đập vào đường điện thoại hoặc bởi sự khơng hồn hảo trong các mạch phát ghép vào đường điện thoại làm cho các điện áp kim loại đặt vào đơi dây dị rỉ sang đường dọc. Độ cân bằng đường truyền phản ánh khả năng của nó
Hình 4.1:Minh họa dịng metallic (kim loại) và dịng longitudinal (dọc)
trong việc ngăn ngừa các tín hiệu khỏi dò vào đường dọc ("cân bằng kim loại") và cũng phản ánh khả năng tương hỗ tương ứng trong việc ngăn ngừa các tín hiệu dọc khơng ghép vào các tín hiệu kim loại ("cân bằng dọc"). Mức độ cân bằng càng cao thì khả năng loại trừ các hiệu ứng ghép khơng mong muốn của đường dây điện thoại càng lớn. Cân bằng thường là một hàm của tần số và giảm ở các tần số cao hơn. Bước xoắn của đôi dây xoắn cao hơn cân bằng sẽ tốt hơn. Ngoài ra thiết kế thận trọng các mạch thu và phát đảm bảo rằng trở kháng so với đất cao và là hằng số ở tất cả các điểm và như nhau cho cả 2 dây. Tuy nhiên, các tình huống thực tế cho thấy có những giới hạn đối với cân bằng. Trong băng POTS, cân bằng có giá trị điển hình từ 50 đến 60 dB, nghĩa là các tín hiệu ghép từ đường kim loại sang đường dọc và ngược lại giảm đi một
46 CHƯƠNG 4. TRUYỀN DẪN ĐÔI DÂY XOẮN
lượng 5 đến 6 bậc độ lớn công suất. Tuy nhiên, tại các tần số cao hơn trong ADSL/HDSL độ cân bằng có thể giảm xuống 30 dB, và thậm chí tại các tần số cao hơn của VDSL sự giảm xuống vẫn có thể xảy ra.
Các mơ hình tốn học cho cân bằng dường như rất khó tìm. Các tác giả gợi ý mơ hình sau cho các đường dây loại 3 dựa trên các quan sát chung rằng cân bằng có xu hướng giảm từ 50 dB hoặc cao hơn ở các tần số thấp hơn xuống khoảng 35 dB tại tần số 1,5 MHz, và thậm chí giảm xuống thấp hơn nữa tại các tần số cao hơn (mơ hình này dừng ở độ cân bằng 15 dB tại 30 MHz), với tỷ lệ về công suất là:
B(f) =
(
105 0< f ≤fb = 150kHz
105(fb/f)1.5 fb ≤f ≤30M Hz (4.4)
Cân bằng của dây xoắn Loại 5 (Category 5 twisted pair) lớn hơn 20 dB ở mọi tần số.