DE60210031T2

DE60210031T2 - Signalvorverarbeitung zur Bestimmung der Eigenschaften einer Übertragungsleitung

Info

Publication number: DE60210031T2
Application number: DE60210031T
Authority: DE
Inventors: Tom Bostoen; Thierry Pollet; Patrick Jan Maria Boets; Leonard Pierre Van Biesen
Original assignee: Alcatel CIT SA; Alcatel SA
Current assignee: Alcatel Lucent SAS
Priority date: 2002-10-18
Filing date: 2002-10-18
Publication date: 2006-11-09
Anticipated expiration: 2022-10-19
Also published as: DE60210031D1; US6909978B2; US20040080323A1; EP1411361A1; ATE321273T1; EP1411361B1; ES2256428T3

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung der Eigenschaften einer Übertragungsleitung aus Reflektometrie-Messungen, wie in der Präambel von Anspruch 1 beschrieben, und eine Vorrichtung, in der das Verfahren angewendet wird, wie in der Präambel von Anspruch 3 beschrieben.
Ein solches Verfahren ist bereits in der Technik bekannt, z.B. aus dem Artikel mit dem Titel "Estimation of the Transfer Function of a Subscriber Loop by means of a 1-Port Scattering Parameter Measurement at the Central Office", der im Journal of Selected Areas in Communications (J-SAC), Juni 2002, Band 20, Nr. 5, S. 936–948 veröffentlicht wurde. Darin wird ein Verfahren zur Vorausberechnung der Übertragungsfunktion einer Teilnehmeranschlussleitung aus Reflektometrie-Messungen beschrieben.
Eine Teilnehmeranschlussleitung ist eine Übertragungsleitung mit zwei Leitern, die den Teilnehmer mit der Fernsprechvermittlung eines Telekommunikationsnetzes verbindet. Ursprünglich hat die Teilnehmeranschlussleitung dem Teilnehmer Zugang zum herkömmlichen Fernsprechdienst (POTS, Plain Old Telephony Service) gegeben. Dieses Teilnehmeranschlussnetz aus Kupferkabeln war de-facto das Medium, um neue Telekommunikationsdienste zu besten Kosten an Haushalte und kleine Firmen zu liefern. Digitale Teilnehmeranschlussleitungs-Dienste (DSL, Digital Subscriber Line) nutzen das Frequenzband oberhalb von 4 kHz bis zu mehreren MHz, das vom POTS nicht benutzt wird, um dem Kunden einen Anschluss mit hoher Datenrate bereitzustellen (bis zu einigen MBit/s).
Trotzdem wurde die Teilnehmeranschlussleitung für die Übertragung im Sprachband entwickelt, ohne Aussicht auf Daten-Telekommunikationsdienste, die bei höheren Frequenzen arbeiten. Die Teilnehmeranschlussleitung kann verschiedene Beeinträchtigungen für DSL-Dienste aufweisen, die den POTS nicht beeinträchtigen, wie z.B. überbrückte Abzweige (Leitungs-Abzweige mit offenen Enden), unterschiedliche Drahtstärken, Spleiße, usw. DSL-Dienste werden meistens durch Reflexionen beeinträchtigt, die entlang der Leitung auftreten und von Ungleichmäßigkeiten der Impedanz der Übertragungsleitung verursacht werden. Reflexionen überlagern sich mit dem direkten DSL-Signal und bei den Frequenzen, für welche die Interferenz destruktiv ist, verringern sie die Größe des empfangenen Signals oder alternativ verringert sich das Signal-Rauschverhältnis (SNR, Signal Noise Ratio). Es ist daher erforderlich, die Qualität der Leitung vorher zu beurteilen, bevor DSL-Dienste implementiert werden.
In einem einleitenden Schritt des bekannten Verfahrens wird ein physikalisches Modell der Teilnehmeranschlussleitung aus der Theorie der elektromagnetischen Wellen definiert, das beschreibt, wie Spannungs- und Strom-Wellen sich in der Leitung ausbreiten.
Die Teilnehmeranschlussleitung wird so modelliert, dass sie aus einer Vielzahl von Leitungsabschnitten besteht, die in einer baumähnlichen Struktur zusammengespleißt sind.
Ein Leitungsabschnitt wird durch die Klammer (Z₀, e^–γl) modelliert, wobei Z₀ die charakteristische Impedanz des Leitungsabschnittes, γ die Ausbreitungskonstante des Leitungsabschnittes und 1 die Länge des Leitungsabschnittes ist. Z₀ und γ können als Funktion der Frequenz f und einer endlichen Anzahl von Koeffizienten ausgedrückt werden, wobei die Koeffizienten durch geometrische Querschnitts-Abmessungen der Leitung und durch die Materialkonstanten der Leitung definiert sind. (Z₀, e^–γl) spezifiziert die Art, wie die Spannungs- und Strom-Wellen sich entlang der Leitung ausbreiten. Die Randbedingungen, welche die Leitungs-Spannung und der Leitungs-Strom an einem Spleiß oder einem Abschluss einhalten müssen, liefern den Reflexions- und Transmissions-Faktor der Spannungs- und Strom-Wellen an dem Spleiß oder an dem Abschluss. Erweitert man die Vorgehensweise auf die gesamte Teilnehmeranschlussleitung ergibt sich ein parametrisches Modell der Teilnehmeranschlussleitung, das spezifiziert, wie sich die Spannungs- und Strom-Wellen in der Leitung ausbreiten, wie z.B. die Streumatrix oder die ABCD-Matrix.
In einem weiteren Schritt des bekannten Verfahrens wird ein erstes elektrisches Signal erzeugt und mit einem Anschluss der Teilnehmeranschlussleitung gekoppelt, während die elektrischen Signalformen an dem Kopplungspunkt beobachtet werden. Die beobachtete Signalform besteht aus einem Teil des ursprünglichen Signals und aus den Signalen, die an jeder Unregelmäßigkeit der Impedanz der Übertragungsleitung reflektiert werden, falls vorhanden. Diese Messung ist in der Technik als Reflektometrie bekannt, spezieller als Zeitbereichs-Reflektometrie oder Frequenzbereichs-Reflektometrie, je nachdem, ob die beobachtete Signalform im Zeitbereich oder im Frequenzbereich gemessen wird. Das gemessene Signal wird Reflektogramm genannt, wenn kein spezieller Bezug zum Messungsbereich gemeint ist, andernfalls als Zeitbereichs-Reflektogramm oder als Frequenzbereichs-Reflektogramm.
In dieser Phase des Qualifizierungsprozesses wird die Teilnehmeranschlussleitung als Vorrichtung mit einem Anschluss (Eintor) betrachtet, wobei der Anschluss, an dem die Reflektometrie-Messungen durchgeführt werden, der Bezugs-Anschluss ist.
In einem weiteren Schritt des bekannten Verfahrens werden die Werte der Koeffizienten des parametrischen Modells berechnet. Der Berechnungsprozess umfasst folgende Schritte:

– Zuweisung eines Anfangswertes zu einem der Koeffizienten, wobei ein quasi-realistisches Modell der Teilnehmeranschlussleitung benutzt wird,
– Berechnung des Eintor-Streuparameters S₁₁ der Teilnehmeranschlussleitung, nämlich S estimated / 11, wobei der Eintor-Streuparameter S₁₁ als das Verhältnis im Frequenzbereich der rückwärtslaufenden oder reflektierten Welle zur vorwärtslaufenden oder einfallenden Welle definiert ist,
– Bestimmung des Eintor-Streuparameters S₁₁ der Teilnehmeranschlussleitung, nämlich S measured / 11, aus den Reflektometrie-Messungen,
– Quantitative Bestimmung einer Differenz zwischen S estimated / 11 und S measured / 11 durch Einführung einer Kostenfunktion,
– Verringerung der Differenz durch Anpassung der Werte der Koeffizienten des parametrischen Modells.

Sowohl die gemessenen, als auch die berechneten Eintor-Streuparameter werden in einer gegebenen Referenz-Impedanz-Basis bestimmt.
Das quasi-realistische Modell liefert Anfangswerte für die Koeffizienten des parametrischen Modells zur Berechnung des Eintor-Streuparameters S estimated / 11. Die Anfangswerte der Koeffizienten müssen vorzugsweise die Größenordnung haben, die von ihrer Formel vorhergesagt wird, so dass die Optimierung der Kostenfunktion ein globales Minimum bestimmt und nicht in ein lokales Minimum läuft. Im Gegensatz zu einem Black-Box-Modell ist das quasi-realistische Modell ein White-Box-Modell mit so vielen A-priori-Kenntnissen wie möglich. Das quasi-realistische Modell der Teilnehmeranschlussleitung basiert auf einer angenommen Teilnehmeranschlussleitungs-Topologie und auf dem Typ der im Feld verwendeten Übertragungsleitung, wie sie voraussichtlich dem Betreiber des Telekommunikationsnetzes bekannt sind.
Wenn die Koeffizienten berechnet wurden, ist es möglich, die Übertragungsfunktion zwischen jedem Anschluss der Teilnehmeranschlussleitung zu berechnen, wobei die Teilnehmeranschlussleitung nun als Vorrichtung mit mehreren Anschlüssen betrachtet wird.
Weitere Beispiele für ein solches Verfahren und eine solche Vorrichtung werden in EPA 1248383 und in WOA01/01158 offen gelegt.
Das bekannte Verfahren liefert bis zu einer bestimmten Leitungslänge gute Ergebnisse, z.B. bis 2000 Meter für Polyäthylen-Kabel mit 0,4 mm. Für längere Teilnehmeranschlussleitungen werden die Messungen von den ersten direkten Reflexionen beherrscht, die von dem Kopplungspunkt zwischen der Messungs-Vorrichtung und der Leitung stammen, und die Konvergenz des parametrischen Modells unmöglich machen.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Nah-Reflexionen zu beseitigen und die Qualifizierung längerer Teilnehmeranschlussleitungen möglich zu machen.
Gemäß der Erfindung wird dieses Ziel durch das in Anspruch 1 definierte Verfahren und die in Anspruch 3 definierte Vorrichtung erreicht.
Der Hauptteil der Nah-Reflexionen wird beseitigt, indem folgende Schritte ausgeführt werden:

– Berechnung der charakteristischen Impedanz der Teilnehmeranschlussleitung, spezieller Berechnung der charakteristischen Impedanz des Leitungsabschnittes, an den die Messvorrichtung gekoppelt ist,
– Umwandlung des Eintor-Streuparameters der Teilnehmeranschlussleitung von der Referenz-Impedanz-Basis auf die Basis der berechneten charakteristischen Impedanz.

Es bleibt jedoch immer noch ein restlicher Einfluss der Nah-Reflexionen. Dieser restliche Einfluss wird hauptsächlich durch die Tatsache verursacht, dass die berechnete charakteristische Impedanz nicht perfekt mit der wirklichen charakteristischen Impedanz der Leitung übereinstimmt. Zum Beispiel werden bei der Berechnung der charakteristischen Impedanz Inhomogenitäten der Leitung und die sich daraus ergebenden Rückstreuungen nicht berücksichtigt.
Es ist dann unbedingt erforderlich, eine Zeitzone zu bestimmen, in der sich die Nah-Reflexionen befinden, so dass ihr Beitrag in dem weiteren Prozess der Qualifizierung der Teilnehmeranschlussleitung neutralisiert wird.
Die Verarbeitung des Eintor-Streuparameters gemäß der vorliegenden Erfindung kann im Zeitbereich oder im Frequenzbereich oder in jedem theoretischen Bezugsbereich durchgeführt werden, wie einem Fachmann bekannt ist.
Die vorliegende Erfindung kann auf jede Art von Übertragungsleitung angewendet werden, unabhängig von der Natur des Übertragungsmediums und unabhängig von der darauf verwendeten Übertragungstechnologie.
Die vorliegende Erfindung ist nicht auf den erwähnten bisherigen Stand der Technik begrenzt, sondern kann auf jedes Verfahren und jede Vorrichtung angewendet werden, bei denen Reflektometrie-Messungen zur Berechnung der Attribute einer Übertragungsleitung durchgeführt werden, unabhängig davon, was diese Attribute sind und unabhängig von dem Bereich, in dem die Berechung durchgeführt wird.
Weitere charakteristische Ausführungen der vorliegenden Erfindung werden in den beigefügten Ansprüchen erwähnt.
Es muss darauf hingewiesen werden, dass der in den Ansprüchen verwendete Begriff "enthält" nicht als Einschränkung der danach aufgelisteten Mittel interpretiert werden darf. Somit ist der Umfang des Ausdrucks "Eine Einrichtung, die Mittel A und B enthält" nicht auf Einrichtungen begrenzt, die nur aus den Komponenten A und B bestehen. Er bedeutet, dass bezogen auf die vorliegende Erfindung die einzigen relevanten Komponenten der Einrichtung A und B sind.
Auf ähnliche Weise muss darauf hingewiesen werden, dass der ebenfalls in den Ansprüchen verwendete Begriff "gekoppelt" nicht nur auf direkte Verbindungen begrenzt ist. Somit ist der Umfang des Ausdrucks "Eine Einrichtung A, die mit einer Einrichtung B gekoppelt ist" nicht auf Einrichtungen oder Systeme begrenzt, in denen ein Ausgang von Einrichtung A direkt mit einem Eingang von Einrichtung B verbunden ist. Er bedeutet, dass ein Pfad zwischen einem Ausgang von A und einem Eingang von B vorhanden ist, wobei der Pfad andere Einrichtungen oder Mittel enthalten kann.
Die obigen und weitere Aufgaben und Eigenschaften der Erfindung werden deutlicher, und die Erfindung selbst wird am besten verstanden, indem man auf die folgende Beschreibung einer Ausführung in Verbindung mit den begleitenden Zeichnungen Bezug nimmt, in denen:
1 eine Messungs-Vorrichtung gemäß der Erfindung zeigt,
2 ein Beispiel für eine Teilnehmeranschlussleitung zeigt, das als Fallstudie gewählt wurde,
3 eine analoge Eingangs-Einheit der Messungs-Vorrichtung zeigt,
4 eine gemessene Eingangsimpedanz und eine berechnete charakteristische Impedanz für ein 5 km und ein 1 km langes Polyäthylen-Kabel mit 0,4 mm zeigt,
5 eine Impulsantwort eines 3 km langen 0,4 mm Polyäthylen-Kabels in einer Basis von 100 Ω und in der Basis der berechneten charakteristischen Impedanz zeigt,
6 das Entfernen des Zeit-Alias aus einer Impulsantwort durch Anpassung einer exponentiell abfallenden Funktion an das Ende der Impulsantwort zeigt,
7 eine Gleichpegel-Impulsantwort und die Bestimmung der neutralen Zone mittels eines Extremwert- und eines Basislinien-Schwellwertes zeigt.
Die Testvorrichtung TEST, wie in 1 gezeigt, enthält:

– Eingabemittel IN,
– Ausgabemittel OUT,
– Eine Zeitbereichs-Reflektometrie-Einheit TDR,
– Eine Verarbeitungseinheit PROC.

Die Eingabemittel IN und die Ausgabemittel OUT sind mit der Verarbeitungseinheit PROC gekoppelt. Die Verarbeitungseinheit PROC ist über einen Datenkommunikations- Bus COM, wie z.B. einen seriellen Bus, mit der Zeitbereichs-Reflektometrie-Einheit TDR gekoppelt. Die Zeitbereichs-Reflektometrie-Einheit TDR ist mit der Teilnehmeranschlussleitung LP gekoppelt.
Die Testvorrichtung TEST ist so angepasst, dass sie die Übertragungsfunktion einer Teilnehmeranschlussleitung aus Reflektometrie-Messungen berechnet. Die Testvorrichtung TEST ist als tragbare Testvorrichtung integriert, die von einem Techniker im Feld benutzt werden kann, z.B. in der Fernsprechvermittlung in der Nähe eines Verteilers.
Die Eingabemittel IN umfassen eine Tastatur und eine Computer-Maus in Verbindung mit einer grafischen Benutzerschnittstelle und sind für folgendes angepasst:

– Auslösen der Zeitbereichs-Reflektometrie-Messungen,
– Eingabe oder Auswahl aller nützlichen Informationen aus einem Dropdown-Menü, wie z.B. Charakteristiken der Teilnehmeranschlussleitung (im parametrischen Modell verwendet), Messungs-Einstellungen, usw.

Die Ausgabemittel OUT umfassen einen Anzeige-Bildschirm, z.B. um einem Techniker den Ausgang einer Messungs-Prozedur anzuzeigen.
Die Zeitbereichs-Reflektometrie-Einheit TDR enthält folgende Funktionseinheiten:

– Eine Erzeugungs-Einheit GEN zur Erzeugung eines elektrischen Signals einer gegebenen Signalform innerhalb eines gegebenen Spektralbereichs,
– Eine Messungs-Einheit MEAS, um ein elektrisches Signal, wie z.B. eine Spannung, im Zeitbereich zu messen, die einen Analog-/Digital-Wandler enthält,
– Eine Kopplungs-Einheit COUP zur Kopplung eines Anregungs-Signals von der Erzeugungs-Einheit GEN mit einem Leiterpaar und zur Bereitstellung der geeigneten Messungs-Zugangs-Punkte an die Messungs-Einheit MERS,
– Ein Tiefpass-Anti-Aliasing-Filter FILT für die Analog-/Digital-Wandlung,
– Einen rauscharmen Verstärker LNA zur Verstärkung des Signals von der Teilnehmeranschlussleitung LP,
– Eine Synchronisationseinheit SYN, um die Erzeugungs-Einheit GEN und die Messungs-Einheit MEAS synchron zu triggern.

Die Verarbeitungseinheit PROC enthält einen Pentium-IV-Prozessor, der von der Intel Corp. geliefert wird, sowie alle erforderliche, einem Fachmann bekannte Hardware, wie RAM-Speicher (Random Access Memory, Arbeitsspeicher), eine Festplatte, einen Interrupt-Controller, einen DMA-Controller, eine Grafik-Karte, I/O-Peripheriegeräte, usw.
Auf der Verarbeitungseinheit PROC läuft Software, die das Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung ausführt, insbesondere:

– Sammeln und Mittelwertbildung der Messergebnisse von der Zeitbereichs-Reflektometrie-Einheit TDR,
– Verarbeitung der Messergebnisse gemäß der vorliegenden Erfindung,
– Daraus Berechung der Übertragungsfunktion der Teilnehmeranschlussleitung, wie bereits in der Technik bekannt.

Das zur Anregung der Teilnehmeranschlussleitung verwendete elektrische Signal ist ein Multisinus-Signal, das von 5 kHz bis zu 1 MHz reicht und einen Tonabstand von 5 kHz aufweist. Der Signaltyp sowie die Burstdauer können über die Eingabemittel IN eingestellt werden.
Die gemessenen elektrischen Signale sind die Spannung auf der Leitung zusammen mit der reflektierten Spannungs-Welle. Letztere erlaubt die Unterscheidung der einfallenden und der reflektierten Wellen in der Leitungs-Spannung.
Auf Anforderung des Bedieners über die Eingabemittel IN triggert die Verarbeitungseinheit PROC die Zeitbereichs-Reflektometrie-Einheit TDR über den Datenkommunikations-Bus COM, eine Zeitbereichs-Reflektometrie-Messung durchzuführen. Daraufhin triggert die Synchronisationseinheit SYN sowohl die Erzeugungs-Einheit GEN, ein Anregungssignal zu erzeugen, als auch die Messungs-Einheit MEAS, mit der Messung der resultierenden Signale am Kopplungspunkt zu beginnen. Eine Messung ist ein Satz digitaler Abtastwerte, wobei jeder Abtastwert die codierte Größe des gemessenen Signals zu einem bestimmten Zeitpunkt ist. Die Abtastfrequenz wird auf 10 MHz eingestellt, so dass die Grenzfrequenz des Anti-Aliasing-Filters ungefähr 5 MHz beträgt. Das Erfassungsfenster ist 200 μs lang, so dass die Frequenzauflösung mit dem Tonabstand des Anregungssignals übereinstimmt. Die Messergebnisse werden zur weiteren Verarbeitung über den Datenkommunikationsbus COM zurück an die Verarbeitungseinheit PROC geliefert. Die Messprozedur wird über eine kurze Dauer einige Male wiederholt, um den Mittelwert und die Varianz jedes Abtastwertes zu berechnen.
Im Folgenden wird die Funktion der bevorzugten Ausführung mit Bezug auf eine Beispiel-LP einer Teilnehmeranschlussleitung beschrieben. Die vorliegende Erfindung ist jedoch nicht darauf beschränkt.
Die Topologie der Teilnehmeranschlussleitung LP, wie sie dem Betreiber des Telekommunikationssystems bekannt ist und über die Eingabemittel IN eingegeben wurde, ist eine einzige Übertragungsleitung.
2 zeigt das elektrische Schaltbild einer einzelnen Übertragungsleitung, aus dem das parametrische Modell aufgestellt wird. An einem Ende der Leitung befindet sich eine Spannungsquelle Vg, die in Reihe zu einer Generator-Impedanz Zg geschaltet ist. Am anderen Ende befindet sich eine Last mit einer Impedanz Zl. Die Leitung wird durch ihre Übertragungsfunktion e^–γl und die charakteristische Impedanz Z₀ gekennzeichnet.
Die Leitung wird als Eintor-Vorrichtung betrachtet, wobei V und I die Eingangsspannung und der Eingangsstrom an dem Anschluss sind.
Die vorwärts- und rückwärtslaufenden Wellen a und b an diesem Anschluss werden bezogen auf eine Bezugsimpedanz Zref definiert:
Der Typ der Übertragungsleitung, wie sie dem Betreiber des Telekommunikationssystems bekannt ist und über die Eingabemittel IN eingegeben wurde, ist eine nicht abgeschirmte verdrillte Doppelleitung (Unshielded Twisted Pair, UTP), die aus zwei parallelen kreisförmigen zylindrischen Leitern besteht, die in ein homogenes Dielektrikum eingebettet sind, von dem angenommen wird, dass es linear und isotrop ist.
(Zo,e^–γl) einer UTP ist gegeben durch:
wobei:

– s = jω = j2πf die Laplace-Frequenz repräsentiert,
–
eine Zusatzfunktion bezeichnet, die in den Berechnungen benutzt wird,
– J_i = J_i(a₃√–s) die Bessel-Funktion bezeichnet,
– y_p = a₅s/l die Parallel-Admittanz pro Längeneinheit der Übertragungsleitung ist.

Die Koeffizienten a₁ bis a₅ können gemäß folgender Formeln Anfangswerte bekommen:
a3 = a√μσ
wobei:

– a der Radius der kreisförmigen Leiter ist (gleicher Radius für beide Leiter)
– D der Abstand zwischen der Zweileiter-Achse ist,
– σ die Leitfähigkeit des Leitermaterials (z.B. Kupfer) ist,
– ε und μ die elektrische Dielektrizitätskonstante, bzw. die magnetische Permeabilität des dielektrischen Materials (z.B. Polyäthylen) sind.

Vor den reflektometrischen Messungen der Teilnehmeranschlussleitung LP findet die Kalibrierungsprozedur statt.
Ein genaueres Modell der der Zeitbereichs-Reflektometrie-Einheit TDR wird in 3 vorgeschlagen. In diesem Modell werden die folgenden Elemente berücksichtigt:

– Die Differenz δg der aktuellen Generator-Impedanz bezogen auf die angenommene Generator-Impedanz Zg,
– Die Kopplungseinheit COUP, die als 4-Anschluss-Kopplungs-Vorrichtung modelliert und durch ihre eigene Streumatrix charakterisiert wird,
– Die Eingangsimpedanz Za und Zb der Vorrichtungen, welche die Leitungsspannung Vline und die reflektierte Spannung Vrefl messen.

Zin ist die Eingangsimpedanz der getesteten Vorrichtung.
Die sich vorwärts und rückwärts ausbreitenden Wellen a und b können aus der gemessenen Spannung Vline und Vrefl mit folgender Formel bestimmt werden:
wobei die Koeffizienten λ₁, λ₂, λ₃ und λ₄ durch die Streumatrix der Kopplungseinheit COUP definiert sind.
Der Eintor-Streuparameter in der Referenz-Impedanz-Basis kann aus der Formel (5) abgeleitet werden:
Die Kalibrierungsprozedur besteht aus der Bestimmung der Werte der Koeffizienten C₁, C₂ und C₃. Dies erfolgt durch Messung der Leitungsspannung Vline und der reflektierten Spannung Vrefl mit 3 verschiedenen Werten der Eingangsimpedanz Zin, für die der resultierende Eintor-Streuparameter vorher bekannt ist:

– Erste Messung bei Leerlauf, Zin = ∞,
– Zweite Messung bei Kurzschluss,
– Dritte Messung bei der Referenz-Impedanz, Zin = Zref,

Die Verarbeitungseinheit PROC erfasst die 3 Messergebnisse von der Zeitbereichs-Reflektometrie-Einheit TDR und erhält daraus 3 lineare Gleichungen, aus denen die Werte C₁, C₂ und C₃ berechnet werden können.
Die Verarbeitungseinheit PROC bestimmt den Eintor-Streuparameter der Teilnehmeranschlussleitung LP in der Referenz-Impedanz-Basis durch Verwendung der Formel (6) mit den Werten der Koeffizienten C₁, C₂ und C₃, wie während der Kalibrierungs-Prozedur bestimmt, und mit den Messergebnissen der Leitungsspannung Vline und der reflektierten Spannung Vrefl, wobei die Teilnehmeranschlussleitung LP die zu testende Vorrichtung ist.
Die Fern-Reflexionen müssen so deutlich wie möglich sichtbar gemacht werden. Sie dürfen nicht durch eine Fehlanpassung zwischen der Referenz-Impedanz Zref und der charakteristischen Impedanz Z₀ gestört werden, da andernfalls sehr kleine, aber noch wichtige Reflexionen, die einige tausend Meter die Leitung entlang gelaufen sind, in dem sofort reflektierten Signal untergehen. Eine Transformation der Basis-Impedanz von S₁₁ ist dann unbedingt nötig.
Die ideale Basis-Impedanz ist die charakteristische Impedanz Z₀ des Leitungs-Segmentes, mit dem die Testvorrichtung TEST gekoppelt ist. Die Berechnung dieser charakteristischen Impedanz bezogen auf die gemessene Eingangsimpedanz liefert gute Ergebnisse. In der Tat liegt die Eingangsimpedanz umso näher an der charakteristischen Impedanz, je länger die Leitung ist.
Die Eingangsimpedanz kann aus dem gemessenen Eintor-Streuparameter wie folgt berechnet werden:
Die Berechnung der charakteristischen Impedanz der Teilnehmeranschlussleitung LP beruht auf dem parametrischen Modell, wie es durch Formel (4) ausgedrückt wird.
Die bevorzugte Schätzfunktion ist die Maximum-Likelihood-Schätzung (MLE), aber die vorliegende Erfindung ist nicht darauf begrenzt. Die MLE wird gewählt, weil sie mit realistischen Rauschbedingungen konsistent, asymptotisch nicht verzerrt, asymptotisch normalverteilt und asymptotisch effizient ist.
Die MLE-Kostenfunktion ist gegeben durch:
wobei:

– N die Anzahl der Frequenz-Abtastwerte ist,
– fk die k-te Frequenz ist,
– Θ der Parameter-Vektor des parametrischen Modells der charakteristischen Impedanz ist: Θ = (a₁, a₂, a₃, a₄),
– Z estimated / 0(fk, Θ) der k-te Frequenz-Abtastwert des parametrischen Modells der charakteristischen Impedanz ist,
– Z measured / in(fk) der k-te Frequenz-Abtastwert der gemessenen Eingangsimpedanz ist,
– σ_Zin(fk) der Schätzwert der Varianz des k-ten Frequenz-Abtastwertes der gemessenen Eingangsimpedanz ist.

Das Minimum der Kostenfunktion als Funktion des Parameter-Vektors Θ wird mittels eines iterativen Algorithmus gefunden. Die bevorzugte Minimierungsfunktion ist das Levenberg-Marquardt-(LM)-Verfahren, aber die vorliegende Erfindung ist nicht darauf beschränkt.
Die Minimierungsfunktion bestimmt einen Vektor Θ ^, für den das Minimum der Kostenfunktion V erreicht wird. Die berechnete charakteristische Impedanz ist dann gegeben durch: Z ^0 = Zestimated0 (Θ ^).
Wie man in 4 sieht, berücksichtigt die berechnete charakteristische Impedanz nicht die Variationen höherer Ordnung (Berge und Täler um die Asymptote herum), welche den Beitrag der Lastimpedanz und anderer Leitungssegmente, falls vorhanden, repräsentieren. Diese Beiträge sind irrelevant, soweit die charakteristische Impedanz betroffen ist und können im Berechnungsprozess unberücksichtigt gelassen werden.
Der gemessene Eintor-Streuparameter wird dann wie folgt aus der Referenz-Impedanz-Basis in die Basis der berechneten charakteristischen Impedanz umgerechnet:
Wie man in 5 sieht, sind die Fern-Reflexionen nach der Umrechnung erkennbar, es gibt aber noch immer einige nicht vernachlässigbare Nah-Reflexionen.
Die Bestimmung der Zeitzone, in der die restlichen Nah-Reflexionen sich befinden – im Folgenden die neutrale Zone genannt – müssen im Zeitbereich unter Verwendung einer inversen Diskreten Fourier-Transformation (DTF) von
durchgeführt werden. Das resultierende Signal
wird Impulsantwort der Teilnehmeranschlussleitung genannt.
Die inverse DFT kann jedoch nicht direkt auf
angewendet werden, da nicht alle Frequenz-Abtastwerte aussagekräftige Daten enthalten. Es gibt Vorschriften der Betreiber von Telekommunikationssystemen, dass Anregungs-Signale unterhalb und innerhalb des Sprachbandes auf Teilnehmerleitungen nicht zulässig sind. Auch ist eine Ansteuerung solcher Leitungen oberhalb von 1 MHz wegen der extremen Leitungsdämpfung nicht ratsam. Und zuletzt enthält das gemessene Signal wegen der AC-Kopplung keine DC-Komponente. Danach wird eine Anzahl von Spektrallinien keine Leistung enthalten.
Frequenz-Abtastwerte von
ohne Energieinhalt werden auf Null gesetzt, während die DC-Komponente von
auf 1 gesetzt wird, wie in dem theoretischen Modell vorhergesagt wird. Die inverse DFT eines solchen Spektrums ergibt Überschwing-Effekte im Zeitbereich. Das Überschwingen wird mit einem Liner-Phase-Scale-Spaced-Filter oder einem anderen geeigneten Filter, das einem Fachmann bekannt ist, geglättet.
Die inverse DFT des gefilterten
enthält einen Zeit-Alias, da das Erfassungs-Fenster T nicht lang genug ist, um den Zeit-Alias unter die Quantisierungsstufe zu verringern. Der Zeit-Alias wird auf einen akzeptierbaren Wert verringert, indem eine exponentiell abfallende Funktion A'e^–B't auf das Ende von
angewendet wird (siehe 6).
Eine Schätzfunktion der kleinsten Quadrate wird dazu benutzt, die Parameter A' und B' zu finden. Die Parameter werden im letzten Teil des Endes der Kurve berechnet.
Der Zeit-Alias g(t) ist durch eine unendliche Summe von exponentiell abfallenden Funktionen gegeben:
Da
Der Zusammenhang zu den berechneten Parametern ist gegeben durch: B = B' A = A'eB'T
Die Impulsantwort nach dem De-Aliasing erhält man mit:
Ein Fachmann kann jede andere Alternative zur exponentiell abfallenden Reihe und zur Schätzfunktion der kleinsten Quadrate als gültige Alternative berücksichtigen.
Die Bestimmung der neutralen Zone wird erreicht, indem der Beginn der Fern-Reflexionen berechnet wird.
Als erstes wird die Amplitude der Impulsantwort nach dem De-Aliasing entzerrt, um die Signaldämpfung zu kompensieren.
Die Gleichpegel-Impulsantwort
erhält man durch Multiplikation der Impulsantwort nach dem De-Aliasing
mit einer zeitabhängigen Verstärkung, da die Dämpfung umso größer ist, umso größer die Laufzeit ist. Die Verstärkung zum Zeitpunkt t ist vom Maximalwert der Impulsantwort einer allgemeinen Leitung mit der Länge L = V_prop × t abhängig, wobei V_prop die Ausbreitungsgeschwindigkeit auf der Leitung ist.
Die zeitabhängige Verstärkung wird ab einem bestimmten Zeitpunkt nach oben begrenzt, um eine übermäßige Verstärkung des Endes der Kurve zu verhindern.
Ein Fachmann kann jedes andere Verstärkungsverfahren anstelle der oben angegebenen zeitabhängigen Verstärkung, einschließlich der Möglichkeit die Impulsantwort nach dem De-Aliasing nicht zu verstärken, als gültige Alternative berücksichtigen.
Als nächste erlauben zwei Schwellwerte die Erkennung der Fern-Reflexionen in
Der erste Schwellwert erlaubt es, den ersten Extremwert zu finden, welcher der ersten direkten Fern-Reflexion entsprechen muss. Beginnend von diesem Extremwert wird der Kurve
in negativer Zeitrichtung gefolgt. Wenn ein Schnittpunkt mit dem zweiten Basislinien-Schwellwert auftritt, wird angenommen, dass der Beginn dieser ersten direkten Fern-Reflexion gefunden wurde. Die neutrale Zone geht vom Zeit-Ursprung bis zu diesem Zeitpunkt (siehe 7).
Ein Fachmann kann jede andere Alternative zum oben angegebenen Algorithmus als gültige Alternative berücksichtigen. Ein Algorithmus auf der Grundlage der Berechnung eines quadratischen Mittelwertes über ein verschiebbares Fenster, das sich weiterbewegt, könnte eine solche Alternative sein.
Schließlich wird die so erkannte neutrale Zone in dem Prozess der Berechnung der Übertragungsfunktion der Teilnehmeranschlussleitung LP neutralisiert.
Mit Bezug auf den oben erwähnten bisherigen Stand der Technik könnte man zum Beispiel die Zeit-Abtastwerte in dieser Zeitzone auf Null setzen, so dass die Nah-Reflexionen nicht mehr verhindern, dass das parametrische Modell konvergiert.
Man muss darauf achten, den berechneten Eintor-Streuparameter auf dieselbe Weise zu verarbeiten wie den gemessenen, damit die Konvergenz keine systematische Abweichung bekommt.
In einer alternativen Ausführung der vorliegenden Erfindung kann die Verarbeitungseinheit PROC einen Eigenschafts-Extraktions-Algorithmus enthalten, der im Zeitbereich arbeitet. Der Algorithmus kann die so erkannte Zeit-Zone dazu verwenden, zwischen Reflexionen, die durch Impedanz-Unregelmäßigkeiten verursacht wurden, und Reflexionen, die von Leitungsenden, Querschnittsänderungen und Verbindungspunkten kommen, zu unterscheiden, wobei nur die zuletzt genannten bedeutend sind.
In einer alternativen Ausführung der vorliegenden Erfindung kann die Verarbeitungseinheit PROC eine gemessene Kurve aus einer Datenbank mit Z₀-Kurven als Basis-Impedanz verwenden. Um die richtige Kurve auszuwählen, wird der Techniker aufgefordert, über die Eingebemittel IN Informationen über den Kabeltyp einzugeben. Das Verhalten der charakteristischen Impedanz hängt jedoch auch von externen Einflüssen ab, wie Temperatur und Alterung. Und nicht zuletzt ändern sich die Eigenschaften einer verdrillten Doppelleitung im selben Kabel wegen der verschiedenen benutzten Verdrillungsraten von Doppelleitung zu Doppelleitung. Abweichungen von 50 Ω bei 10 kHz und von 5 Ω oberhalb von 100 kHz wurden gemessen.
In einer alternativen Ausführung der vorliegenden Erfindung kann das Erfassungs-Fenster vergrößert werden – bis zur Größe des verfügbaren Speichers – so dass die gesamte Impulsantwort enthalten ist. Der vorangehende Schritt der Beseitigung des Zeit-Alias ist nicht mehr erforderlich. Die resultierende Frequenzauflösung kann jedoch Abtastwerte innerhalb irgendeines verbotenen Frequenzbandes enthalten, was die Qualifizierung einiger Übertragungsleitungen unmöglich macht.
In einer alternativen Ausführung der vorliegenden Erfindung kann ein Teil der oder die ganze Verarbeitung auf einem entfernten Host durchgeführt werden. Zum Beispiel wird die Zeitbereichs-Reflektometrie-Einheit auf einer Karte montiert, in einen Steckplatz in einem Zugangsmultiplexer eingesteckt und sendet Messergebnisse über ein Datenkommunikationsnetzwerk zu einer entfernten Verarbeitungseinheit, z.B. zu einem Personal Computer (PC) über ein lokales Netz (LAN) oder zu einer Netzwerk-Management-Station über ein Telekommunikationsnetz.
Eine abschließende Anmerkung ist, dass Ausführungen der vorliegenden Erfindung oben in Form von Funktionsblöcken beschrieben werden. Aus der oben angegebenen Funktionsbeschreibung dieser Blöcke wird es für einen Fachmann für die Entwicklung elektronischer Geräte offensichtlich sein, wie Ausführungen dieser Blöcke mit wohlbekannten elektronischen Bauelementen hergestellt werden können. Eine detaillierte Architektur des Inhaltes der Funktionsblöcke wird daher nicht angegeben.
Obwohl die Prinzipien der Erfindung oben in Verbindung mit einer speziellen Vorrichtung beschrieben wurden, muss deutlich verstanden werden, dass diese Beschreibung nur als Beispiel erfolgt und nicht als Einschränkung des Umfangs der Erfindung, wie in den beigefügten Ansprüchen definiert.
Fig. 1 Fig. 2 Fig. 3 Fig. 4
Fig. 5
Fig. 6
Fig. 7

Claims

Ein Verfahren zur Bestimmung der Eigenschaften einer Übertragungsleitung (LP), wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst: – Durchführung von Reflektometrie-Messungen der Übertragungsleitung – Aus den Reflektometrie-Messungen Bestimmung eines Eintor-Streuparameters der Übertragungsleitung in einer Referenz-Impedanz-Basis (Zref), – Berechnung einer charakteristischen Impedanz (Z0) der Übertragungsleitung, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren weiterhin folgende Schritte umfasst: – Umwandlung des Eintor-Streuparameters aus der Referenz-Impedanz-Basis in die Basis einer berechneten charakteristischen Impedanz und dadurch Erhalten eines zweiten Eintor-Streuparameters mit restlichen Nah-Reflexionen, – Bestimmung einer Zeitzone, in der die restlichen Nah-Reflexionen enthalten sind, – Neutralisation des Beitrags der Zeitzone in dem Prozess der Bestimmung der Eigenschaften der Übertragungsleitung.
Ein Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die charakteristische Impedanz durch folgende Schritte bestimmt wird: – Ableitung einer Eingangsimpedanz (Zin) der Übertragungsleitung aus dem (ersten) Eintor-Streuparameter, – Definition eines parametrischen Modells der charakteristischen Impedanz – Berechnung von Koeffizienten des parametrischen Modells bezogen auf die Eingangsimpedanz.
Eine Vorrichtung (TEST), die so angepasst ist, dass sie die Eigenschaften einer Übertragungsleitung (LP) bestimmt und folgendes umfasst: – Eine Reflektometrie-Einheit (TDR), die mit der Übertragungsleitung gekoppelt ist, um Reflektometrie-Messungen der Übertragungsleitung durchzuführen, – Eine Verarbeitungseinheit (PROC), die mit der Reflektometrie-Einheit gekoppelt ist, um aus den Reflektometrie-Messungen einen Eintor-Streuparameter der Übertragungsleitung in einer Referenz-Impedanz-Basis (Zref) zu bestimmen, – und um eine charakteristische Impedanz (Z0) der Übertragungsleitung zu bestimmen, dadurch gekennzeichnet, dass die Verarbeitungseinheit weiterhin Mittel für folgendes enthält: – Umwandlung des Eintor-Streuparameters aus der Referenz-Impedanz-Basis in die Basis einer berechneten charakteristischen Impedanz und dadurch Erhalten eines zweiten Eintor-Streuparameters mit restlichen Nah-Reflexionen, – Bestimmung einer Zeitzone, in der die restlichen Nah-Reflexionen enthalten sind, – Neutralisation des Beitrags der Zeitzone in dem Prozess der Bestimmung der Eigenschaften der Übertragungsleitung.
Eine Vorrichtung gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Verarbeitungseinheit mit der Reflektometrie-Einheit über ein Telekommunikationsnetz mit einer Fernverbindung gekoppelt ist.