Evropský polytechnický institut, s.r.o. BAKALÁŘSKÁ PRÁCE 2013 PETR MACEK

Transkript

1 Evropský polytechnický institut, s.r.o. BAKALÁŘSKÁ PRÁCE 2013 PETR MACEK

2 Evropský polytechnický institut, s.r.o. v Kunovicích Studijní obor: Elektronické počítače DATOVÉ KOMUNIKACE NA SÍTÍCH OPERÁTORŮ KABELOVÝCH TELEVIZÍ (Bakalářská práce) Autor:Macek Petr Vedoucí práce: Mgr. Ivo Lazar Kunovice, 2013

3

4

5 Prohlašuji, že jsem bakalářskou práci vypracoval samostatně pod vedením Mgr. Ivo Lazara a uvedl v seznamu literatury všechny použité literární a odborné zdroje. Kunovice, 2013

6 Děkuji panu Mgr. Ivo Lazarovi za velmi užitečnou metodickou pomoc, kterou mi poskytl při zpracování mé bakalářské práce. Kunovice, 2013 Macek Petr

7 Obsah: ÚVOD TEORETICKÁ VÝCHODISKA OBOUSMĚRNÁ KOMUNIKACE V SÍTÍCH KABELOVÉ TELEVIZE PRINCIP KOMUNIKACE A ZÁKLAD SÍŤOVÉ STRUKTURY SEPARACE SÍTÍ KABELOVÉ TELEVIZE TECHNICKÉ ŘEŠENÍ DATOVÉHO PŘENOSU NA SÍTI ZPĚTNÝ A DOPŘEDNÝ SMĚR V SÍTÍCH KABELOVÉ TELEVIZE DRUHY MODULACÍ Modulace BPSK Modulace QPSK Modulace n-qam ZÁKLADNÍ PARAMETRY MĚŘENÉ U MODULACÍ C/N Carrier to Noise Ratio BER Bit Error Ratio VBER Viterbi Bit Error Ratio MER ModulationError Ratio DOCSIS Historie Regionální varianty Mezinárodní standardy Funkcionalita DOCSIS Hardware DOCSIS REALIZACE LABORATOŘÍ, MĚŘENÍ HARDWARE LABORATOŘE CMTS Modem Primární zesilovač Sekundární zesilovač Měřící přístroje ZAPOJENÍ LABORATOŘE Blokové schéma laboratoře Měření v laboratoři VÝSLEDKY MĚŘENÍ Parametry dopředného směru Spektrum dopředného směru Spektrum zpětného směru Měření propustností MĚŘENÍ A PROVOZ V REÁLNÝCH SÍTÍCH DOPŘEDNÝ SMĚR ZPĚTNÝ SMĚR ANALÝZA TEORIE A PRAXE MONITOROVACÍ INFORMAČNÍ SYSTÉM APLIKACE PILOTNÍ PROVOZ, ODSTRANĚNÍ PŘIPOMÍNEK A UVEDENÍ DO REÁLNÉHO PROVOZU... 68

8 ZÁVĚR HODNOCENÍ SPOLEČNOSTI ABSTRAKT ABSTRACT LITERATURA SEZNAM ZKRATEK SEZNAM OBRÁZKŮ, TABULEK A GRAFŮ... 77

9 ÚVOD Svou bakalářskou práci jsem si vybral na téma datové komunikace na sítích kabelových operátorů. Toto téma je velmi zajímavé a myslím si, že může být inspirací pro zlepšení chodu datových sítí. Toto téma jsem si zvolil proto, že jsem zaměstnancem operátora kabelové televize a mou snahou je zlepšit a zefektivnit datový provoz na jednotlivých sítích. V provozu datové komunikace na tomto typu přenosového media se vyskytuje spousta problémů a potíži spojených s neustále se zvyšujícím nároky uživatelů. Přesto je všeobecným trendem rozšířit datové služby k co největšímu počtu koncových uživatelů. Mezi nejžádanější datové komunikace na sítích kabelových operátorů se řadí provoz internetu pomocí standardů DOCSIS a samozřejmě provoz televizního vysílání v digitální podobě a to ve standardu DVB-C i DVB-T. Jak již bylo zmíněno z důvodu zvyšujících se nároků uživatelů se postupně přechází na složitější a účinnější způsoby přenosu, které sebou ovšem nesou mnohem náročnější a složitější typy modulací a přenosů, které kladou velké nároky na kvalitu distribučního média a jeho následnou údržbu. Primárně jsem se v této práci zaměřením na popis a princip datového přenosu. Součástí bude také laboratorní měření propustnosti a popis jednotlivých problémů. V měření se soustředím na jednotlivé parametry přenosu a to jak jeho kvalitu, tak distribuční možnosti. Toto měření bude prováděno na distribuční soustavě zesilovačů určený pro signály přenášené v kabelové televizi. Při měření se bude využívat několik typů měřící přístrojů a spektrálních analyzátorů. V této bakalářské práci se také zaměřím na rozbor jednotlivých měřených parametrů a jejich popis. V laboratorních podmínkách bude také spuštěno měření datových propustností jednotlivých zařízení podporující standard DOCSIS. Tato měření budou uspořádána v přehledných tabulkách. Zajímavou částí mojí bakalářské práce bude také spektrální analýza distribuční soustavy zesilovačů a to jak v dopředném i zpětném směru. Pro srovnání uvedu také spektrální analýzu distribuční soustavy kabelové televize z reálného provozu. Toto měření i jeho výsledky přispějí ke zlepšení provozu a zkvalitnění datových přenosů. Díky tomu, že mám možnost srovnat ideální podmínky datového přenosu a skutečné podmínky, které se vyskytují na již hotových a živých sítích, mohlo by toto porovnání být zajímavé. Přesto se, vzhledem k požadavkům na velmi vysokou kvalitu přenosu, budou naměřené laboratorní podmínky velmi přibližovat výsledkům měření na reálných sítích. 8

10 Současně se budu snažit vytvořit informační systém pro monitorování jednotlivých prvků na síti. Tento systém bude umístěn tak, aby byl přístupný z internetu a pomohl zaměstnancům firmy Noel,s.r.o. ke zjednodušení vyhledávání a odstraňování poruch a komplikací, které se mohou na tomto přenosovém mediu objevit. Z informací, které jsem získal z praxe, vím, že zásadním problémem u datového provozu a firem, které provoz zajišťují, je velmi důležité zajistit nepřetržitý přístup a datový provoz. Proto se vždy snaží případnou poruchu, či komplikaci odstranit v co nejkratším časovém úseku. Pokud se podaří díky informačnímu sytému zefektivnit řešení těchto problémů, budu to považovat za velký úspěch. V poslední části této bakalářské práce bude uveden popis výsledků z pilotního provozu a systém odladění jednotlivých připomínek. Práce bude prezentována a hodnocena vedením společnosti NOEL s.r.o.. Toto hodnocení bude součástí této práce. 9

11 1 Teoretická východiska V této části mé bakalářské práce se zaměřím na teoretická východiska datové komunikace v sítích televizních kabelových operátorů. Hlavním rysem současného vývoje a trendů sítí kabelových televizí je rozšiřování přenosových pásem dopředného a zpětného směru. Tedy datové komunikace internetu. V současnosti je to největší fenomén kde požadavky jednotlivých zákazníků jsou čím dál větší a náročnější. Z tohoto důvodu se zvyšují i nároky na provoz a údržbu těchto sítí. Flexibilita v rámci poskytování služeb, udržení kvality a dostupnosti služby jsou tedy hlavním cílem provozovatele kabelové televize. 1.1 Obousměrná komunikace v sítích kabelové televize Sítě kabelových televizí byly samozřejmě původně navrženy a připraveny pro distribuci televizních a radiových signálů v dopředném směru ke koncovým účastníkům. Postupem času rozšířily svou funkci i o přenos signálů ve zpětném směru. Tato funkce umožnila a velmi rozšířila možnosti využití sítí kabelových televizí. Aby bylo možné využít funkci zpětného směru, bylo nutné doplnit a vytvořit určitá opatření a to doplnění aktivních, nebo pasivních prvků do sítí kabelových televizí. Na přelomu tisíciletí se začali vyskytovat požadavky na uplatnění telekomunikačních služeb a internetu. 10

12 1.2 Princip komunikace a základ síťové struktury Sítě kabelové televize zabezpečují bezprostřední připojení účastníků. Tím mohou splnit i funkci přístupové sítě pro služby jako internet, telekomunikační služby (VOIP) a tak dál. Služby elektronických komunikací mohou být symetrické (hlasové služby), nebo nesymetrické (internet). Z tohoto vyplývá, že požadavky uživatelů jsou v případě internetu mnohem vyšší na dopředný směr. Tedy směr donwstreamu. Na rozdíl od zpětného směru. To především z pohledu přenosových rychlostí a objemu dat. Předpokládám, že z hlediska aktuálních trendů jsou přenosové rychlosti v řádech desítek Mbit/s a v budoucnu se budou u standardní přípojky pohybovat na úrovni stovek Mbit/s. Sítě kabelové televize z hlediska přenosu signálu v dopředném směru a ve zpětném směru, se jeví topologicky jako sítě sběrnicového typu,,kde je zajištěn společný přístup všech účastníků k jednotnému přenosovému mediu. Tyto sítě se podstatně liší od telekomunikačních sítí pro hlasové přenosy. Za určitých podmínek jsou ovšem sítě kabelových televizí, z pohledu datové komunikace, podobné sítím LAN typu Ethernet 802. Struktura sítí kabelových operátorů byla primárně vyvinuta pro přenos v dopředném směru. A to pro přenos analogových televizních a radiových signálů pomocí frekvenčního multiplexu. Při tomto systému jsou všechny televizní a radiové signály k dispozici současně všem účastníkům provozu sítě. Každý z účastníků má možnost si vybrat požadovaný signál z celého provozovaného spektra. Frekvenční multiplex signálů dopředného směru je standardně rozložen v rozsahu 47MHz až 862MHz. Provozovatel sítě má tak možnost ovlivnit jak spodní, tak horní hranici provozu sítě, multiplexu. Ve zpětném směru je možné umožnit přístup všem zákazníkům. Všichni využívají jednotné přenosové medium. Pro využití zpětného komunikačního směru je nutné, aby byl uživatel vybaven zařízením pro obousměrnou komunikaci (modem). Ve zpětném směru je tedy zajištěn přenos do zákazníka směrem k hlavní stanici. K této komunikaci má uživatel standardně k dispozici pásmo v rozsahu 5MHz až 30MHz. V každém případě má vždy provozovatel sítě kabelové televize možnost ovlivnit jak horní, tak dolní hranici přenosového pásma, dle možností přenosového média. V dnešní době se ovšem stále zvyšují požadavky na propustnost datové komunikace a přenosové možnosti sítě. Z tohoto důvodu je možno rozšířit frekvenční rozsah zpětného směru od 5MHz do 65MHz a v extrémních případech se horní 11

13 hranice posouvá až na 85MHz. Při úpravách frekvenčního rozsahu zpětného směru, je samozřejmě současně posunuta i spodní hranice směru dopředného a to vždy v závislosti na použité šířce frekvenčního pásma ve zpětném směru. Například pro rozsah zpětného směru 5MHz až 65MHz je frekvenční pásmo dopředného směru využito v rozsahu 85MHz až 862MHz. Pro přenos ve zpětném směru jsou používány různé metody, vždy v závislosti na náročnosti a systému přenosu. Podstatné je ovšem z hlediska přenosu to, že jednotné přenosové medium využívá současně velké množství uživatelů. Přenosové medium je ovšem ve zpětném směru relativně malé a úzké. Tato vlastnost se může negativně projevit v případě, kdy velké množství uživatelů datového přenosu na síti kabelové televize, současně projeví zájem o svou šířku datového přenosu. Na druhou stranu je ovšem možné použít moderních a vyšších modulačních profilů a využít tedy při užší šířce pásma vyšší přenosovou kapacitu. 12

14 1.3 Separace sítí kabelové televize Z důvodu snížení počtu účastníku na jednom uzlu, se využívají různé metody separace, tedy rozdělení kanálů zpětného směru. Jedním z možných řešení je zavedení optických uzlů. Koaxiální část sítě kabelového rozvodu zůstává stejná a s ohledem na její strukturu je zvolen nejvhodnější bod rozdělení sítě. Díky těmto krokům je možné získat mnohem menší uzel. Toto řešení nám přináší snížení hladinového šumu na přenosovém mediu v části spektra zpětného směru. V optimálních podmínkách je díky tomuto řešení možné síť rozdělit tak, že na jedné komunikační větvi se nachází řádově desítky, či stovky uživatelů na místo tisíců. Přesto, že je síť dělena z důvodu zlepšení podmínek provozu, ve většině případu je dopředný směr distribuován všem účastníkům provozu totožně. To v principu znamená, že všichni účastníci obousměrné komunikace, kteří jsou připojeni zařízením pro obousměrnou komunikaci (modem), si určitou metodou adresace vybírají příslušný signál datové obousměrné komunikace. Pro signály dopředného směru je vybrán určitý kanál, nebo kanály, které tedy sdílí všichni účastníci datové komunikace, provozu. Většinou jsou tyto kanály dopředné komunikace provozovány v horní části přenosového pásma. Přesto lze v moderních sítích využít takřka celou šíři pásma. Díky kvalitě přenosového media, lze dosáhnout pro kanály dopředného směru velmi vysokých hodnot odstup signál/šum a díky těmto vlastnostem nasadit vícestavové modulační metody. Výhodou těchto metod je, že přináší velmi vysoké bitové rychlosti pro komunikaci jednotlivých účastníku datového provozu. To v reálu znamená možnost poskytnout jednotlivému účastníku datového provozu velkou komunikační rychlost. Pokud narazíme při provozu takovéto sítě, při vlastnostech sdílení dopředných kanálů se zhoršující se kvalitou kapacitních možností, je účelně voleno řešení tak, že se jednotlivé segmenty sítě dělí i rámci komunikace dopředného směru. To znamená, že do jednotlivých uzlů jsou přidávání další kanály dopředného směru, ovšem již pro každou větev samostatně. 13

15 Na blokovém schématu si můžeme ukázat jednotlivé kroky separace sítě. Na obrázku č. 1.1 je základní nákres obousměrné distribuční trasy. Ze schématu vyplývá, že síť uvedená na příkladu má tři fyzické větvě. Hlavní stanice zajišťuje signál pro komunikaci přes distribuční medium (rozvody kabelové televize) až ke koncovému účastníkovy datové komunikace. Obr schéma distribuce signálu 1 [zdroj: vlastní] Na obrázku č 1.2 je odstraněn distribuční uzel a řešení je nahrazeno přímím připojením jednotlivých částí sítě rozvodu kabelové televize k hlavní stanici. Díky tomuto řešení se výrazně zlepší podmínky pro datovou komunikaci jednotlivých účastníků datového přenosu. Obr schéma distribuce signálu 2 [zdroj: vlastní] 14

16 Na obrázku č. 1.3 je navrženo řešení pro následující větve rozvodu televizních kabelových rozvodů. Toto řešení zahrnuje jednoduchý optický distribuční uzel. Toto řešení je vhodné pro připojení vzdálených částí distribučních tras. Díky optickému uzlu je možné distribuovat signál i do velmi vzdálených částí. Obr schéma distribuce signálu 3 [zdroj: vlastní] 15

17 2 Technické řešení datového přenosu na síti V této části mé bakalářské práce se zaměřím na technické řešení datových komunikací na sítích kabelových operátorů. Snahou je co nejsnazší a technicky co možná nejlepší řešení. V současnosti se využívá pro datovou distribuci standardu DOCSIS. Tento standard je součástí neustálého vývoje a těší se velké oblibě kabelových operátorů. Současně se v této části zabývám možnostmi modulačních profilu, výpočtů datových přenosů a představení možností kapacit distribučních tras. 2.1 Zpětný a dopředný směr v sítích kabelové televize Ve zpětném směru je naprosto běžné přenášet různé typy signálů. Tyto signály mohou být využity pro nejrůznější účely. Pro signály ve zpětném směru je využita určitá část spektra, nebo přenosového pásma. Nejčastěji se pro přenos po koaxiálních kabelech využívá pásmo 20MHz až 65MHz. Toto pásmo je nejméně náchylné k rušení a jiným nežádoucím vlastnostem. V dopředném směru se vyžívá celé šíře přenosového pásma. To znamená, že jediným omezujícím parametrem je v tomto případě charakteristika a vlastnosti přenosového média. Nejčastěji se využívá pásmo od 112MHz do 138MHz v případě využití čtyřech kanálů dopředného směru v šířce 8MHz. Podobně jako v dopředném směru, se i ve zpětném směru pro komunikace využívá modulace. Signály se většinou přenáší ve frekvenčně děleném multiplexu. Jednotlivé analogové signály mohou být v základním pásmu použity pro televizní stanice, kamerové systémy a podobně. Nebo je možné využití pásma pro digitální signály, to jsou například signály digitálních televizních multiplexů. Těmito signály se modulují nosné analogové signály, které využívají pro přenos některý z modulačních způsobů. Je velmi důležité dodržet princip seskládání modulovaných kanálů tak, aby se v žádném případě nepřekrývaly. Ve zpětném směru mohou být modulované kanály skládány tak, že se může využít různých šířek pásma. Současně mohou tedy být přenášeny analogové signály a signály digitální. Přesto je šířka písma, která je vhodná pro přenos, maximálně 45MHz. Z hlediska přenosu je nejdůležitějším parametrem využitelná šířka kanálu z pohledupřenosu pomocí 16

18 modulovaného signálu. Tyto parametry je potřeba velmi dobře zvážit. Je nutné předem rozvrhnout distribuční pásmo tak, aby nedocházelo ke zkreslení a zbytečnému zarušení jednotlivých přenášených signálů. Analogové modulační způsoby jsou běžné (např. AM-VSB TV signály). Je také běžné využití frekvenční modulace a podobě. To si popíšeme v dalších bodech. Pod názvem digitální binární signál, který je využitý v základním pásmu, je popsán systém binárních stavů, který nabývá maximálně dvou hodnot. Tyto hodnoty jsou charakterizovány stavy 0 a 1. Z elektrického hlediska tedy mohou nabývat například hodnot 0V a +1V. Díky digitálním signálům jsme tedy schopni zpracovávat přenos nejrůznějších aplikací. Aplikace využívající digitální přenos: Datové komunikace internet Hlas VOIP (Voiceover Internet Protocol) Grafiku Jednotlivé stavy zařízení A jiné Signál s obdélníkovým tvarem v časovém průběhu obsahuje ve spektrální oblasti všechny nespolečné frekvence základní frekvence f m. Toto je odvozeno od nejrychlejšího střídání nul a jedniček v dané posloupnosti. Celé toto spektrum není potřebné pro přenos informací. Pokud se ovšem všechny frekvence nad základní frekvencí odstraní pomocí odfiltrování, bude potom možné střídání nul a jedniček nahradit místo obdélníkového průběhu průběhem sinusovým. Sinusový průběh je v tomto případě dostačující ke korektnímu vyhodnocení přenášené informace. Tento princip je možný díky tomu, že nuly a jedničky jsou vyhodnocovány ve velmi malém časovém pásmu, které představuje střed bitu. Uvedeným filtrováním původně obdélníkového signálu je možné takto přenášet informace v přirazeném průměrném frekvenčním pásmu. Což má obrovský význam. Reálně nemají filtry absolutně strmý průběh, který by umožňoval odstranit všechny frekvence nad základní frekvencí. Lze tedy říct že, reálný filtr může mít v oblasti přechodu tvar cosine raised to znamená kosínový tvar se zvýšenou základnou. Potom přenosové 17

19 pásmo končí nad základní frekvencí f m na koncové frekvenci f stop. Z toho vyplívá, že se přenosové pásmo o něco zvětší oproti pásmu základnímu. Tento posuv, nebo zvětšení pásma je charakterizováno číslem α (filtr roll-offfactor). Toto číslo udává procentuální zvětšení přenosové pásma oproti ideální šířce přenosového pásma. Zde tedy platí tento vzorec: (%, MHz) Charakteristickou vlastností, parametrem digitálního signálu v základním pásmu je jeho bitová rychlost f b. Bitová rychlost se udává v počtu bitů za sekundu. Bitová rychlost vychází z nejrychlejšího možného střídání nul a jedniček, kterou je možné dosáhnout s ohledem na použitou postoupnost. Tedy v bitovém toku se dá v určitém případě říct, že se rovná dvounásobku frekvence f m digitálního signálu. Pro 2Mbit/s tedy odpovídá frekvence střídání nul a jedniček 1MHz v postoupnosti. V reálném provozu digitálního signálu se okamžité střídání nul a jedniček vyskytuje ve frekvencích do 1MHz. V digitálním signálu se muže doplnit a zpracovat další parametry. To jsou například: Rozdělení na pakety Doplnění zabezpečovacími bity Upořádání do rámců, apod. V poslední řadě se digitálním signálem moduluje nosný analogový signál, prostřednictvím kterého se přenáší signál jak ve zpětném, tak dopředném směru. V tomto případě jde o digitální modulaci (označovanou jako diskrétní), kde je modulačním signálem signál digitální a modulovaným signálem signál analogový. 18

20 2.2 Druhy modulací Z celé řady možných typů a druhů modulací, kterými jsou amplitudová, frekvenční, fázová a jiné, se pro datové obousměrné přenosy v sítích kabelových operátorů používají tyto modulace: BPSK Binary Phase Shift Keying, dvoustavové klíčovaní s posunem fáze QPSK Quadrature Phase Shift Keying, čtyřstavové klíčování s posunem fáze n-qam Quadrature Amplitude Modulation n-stavová kvadraturně amplitudová modulace 19

21 2.2.1 Modulace BPSK BPSK je modulace, při které je fáze analogového signálu modulovaná digitálním signálem tak, že při změně ě ě stavu modulačního digitálního signálu z nuly na jedničku a naopak se fáze analogového signálu změní o 180. Na obrázku 2.1 je znázorněn vektor analogového signálu (amplituda a fáze) jako funkce stavu digitálního signálu. Takto modulovaný signál digitální postoupností s maximálním střídáním nul a jedniček a ideální ohraničení dolní propustí na základní frekvenci má po přepočítání frekvenční spektrum rozložené v pásmu 1Hz na 1bit/s modulačního digitálního signálu. Pro příklad: signál modulovaný na 2Mbit/s digitálním tokem se rozloží v pásmu 2MHz. Obr modulace BPSK [zdroj: 1] 20

22 2.2.2 Modulace QPSK QPSK je základním typem vícestavové modulace. Vlastnosti této modulace vyplívají z obrázku 2.1. Vektor analogového signálu při této modulaci může nabývat čtyř stavů, tyto stavy jsou charakterizovány stejnou délkou amplitudy, ale čtyřmi různými fázovými polohami. Každé z poloh odpovídá jedna ze čtyř možných kombinací nul a jedniček, které se mohou v digitálním signálu objevit. Dochází tady tedy v podstatě ke kódovanému přenosu digitálního toku. V principu to znamená, že dvěma po sobě následujícím přenášeným bitům se přiřadí jeden nosný symbol ze čtyř možných kombinací (00, 01, 10, 11). Vektor analogového signálu se tedy přesouvá z jednoho stavu do druhého sobolovou rychlostí f s. Symbolová rychlost se udává v jednotce Baud, kde můžeme říct, že 1 Baud odpovídá rychlosti 1 symbol/s. Modulovaný signál po přepočítání má rozložené spektrum podobně jako při předcházející modulaci BPSK v pásmu 1Hz na 1 Baud na 2 bity/s. Konečným důsledkem tohoto postupu při modulaci je poloviční pásmo oproti modulaci BPSK. Z toho tedy vyplívá, že modulace QPSK na rozdíl od BPSK je mnohem účinnější modulací. Obr modulace QPSK [zdroj: 2] 21

23 2.2.3 Modulace n-qam 16-QAM je dalším typem vícestavové modulace, při které se modulací mění velikost a fáze vektoru analogového signálu. Vlastnosti této modulace vyplívají z obrázku 2.3. Vektor nosné může při této modulaci nabývat 16 různých stavů ů charakterizovaný různou amplitudou a různými fázemi. Každé poloze vektoru tedy odpovídá jedna ze 16 možných kombinací nul a jedniček, které se mohou v digitálním toku vyskytnout. Dochází zde ke kódování digitálního toku, kde se čtyřem po sobě následujícím bitům přiřadí jeden symbol z možných 16 (1111, 0111, 0011, 0001, atd.). Vektor analogového signálu se potom přesouvá z jednoho stavu do druhého sobolovou rychlostí f s a modulovaný signál má po přepočítání spektrum v pásmu 1 Hz na 1 Baud na 4 bity/s. Konečným důsledkem tohoto posunu při modulaci je čtvrtinové pásmo oproti BPSK. Z toho vyplívá ještě účinnější modulaci. Obr modulace 16QAM [zdroj: 3] 22

24 V této části je zobrazen příklad přenosu digitální informace pomocí modulace 16 QAM. Na příkladu budou uvedeny tři základní parametry fáze, velikost vektoru, a přiřazené datová informace. Obr QAM - amplituda=25%, fáze=225, data=1100 [zdroj: 4] Obr QAM - amplituda=75%, fáze=135, data=1001 [zdroj: 4] Obr QAM - amplituda=25%, fáze=315, data=0100 [zdroj: 4] 23

25 n-qam je obecně vícestavová modulace pro n=32, 64, 128, 256. Vektor analogové signálu při této modulaci může nabývat n různých stavů, které jsou charakterizovány různou amplitudou a různými fázemi. Každé poloze vektoru odpovídá jedna z n možných kombinací nul a jedniček, které se mohou v datovém toku objevit. Dochází tu tedy ke kódování digitálního toku, tedy q po sobě následujících bitům se přiřadí jeden symbol z možných n symbolů. Zde tedy platí tyto vzorce: = = Vektor analogového signálu se potom přesouvá z jednoho stavu do druhého symbolovou rychlostí f s a modulovaný signál má po přepočítání spektrum v pásmu 1 Hz na 1 Baud na q bitů/s. Konečným důsledkem tohoto postupu při modulaci je 1/q-tina pásma proti pásmu modulace BPSK a podstatné zvýšení přenosových možností této modulace. Spektrum digitálního signálu se v praxi omezuje reálnou dolní propustí s tvarem průběhu tlumení, který zasahuje do části spektra i nad základní frekvenci f m. V sítích kabelové televize jsou filtry tvarované s α=0,15. Potom pro pásmo ve kterém je rozložený digitální modulovaný signál platí: =(+) (MHz; -,MBaud) α - je filtr roll-offfactor f s symbolová rychlost = / (MBaud;Mbit/s, -) f b je bitová rychlost digitálního toku q koeficient modulace 24

26 Koeficient modulace: q = 1 (pro modulaci BPSK) q = 2 (pro modulaci QPSK) q = 4 (pro modulaci 16QAM) q = 5 (pro modulaci 32QAM) q = 6 (pro modulaci 64QAM) q = 7 (pro modulaci 128QAM) q = 8 (pro modulaci 256QAM) Příklady výpočtu: Příklad 1: Jakou bitovou rychlostí je možné přenášet digitální signál v síti kabelové televize v jednom použitém kanálu. Kanál má šířku 8 MHz a použitá modulace je 256QAM. f s = 8 / (1+0,15) = 6,95 MBaud f b = 6,95 * 8 = 55,6 Mbit/s Z výpočtu tedy vyplívá, že při použití jednoho kanálu s šířkou pásma 8 MHz a modulaci 256QAM je možné dosáhnout přenosové kapacity 55,6 Mbit/s. Příklad 2: Jakou šířku pásma zabírá modulovaný signál komunikace, pokud má signál bitovou rychlost 4Mbit/s a použitá modulace je 32QAM. f s = 4/5 = 0,8 MBaud BW mod = (1+0,15)*0,8 = 1,4375 MHz Z výpočtu vyplívá, že pro signál s bitovou rychlostí 4Mbit/s a modulaci 32QAM je šířka modulovaného pásma 1,4375 MHz 25

27 2.3 Základní parametry měřené u modulací Při měření digitálního signálu přenášeného v síti kabelové televize se používá několik základních parametrů. Tyto parametry nám ukazují jednotlivé úrovně a kvalitu přenosu digitálního signálu. Při provozu sítě je snahou kabelového operátora udržovat tyto parametry vždy v co nejlepších úrovních. Tyto parametry jsou: C/N Carrier to Noise Ratio odstup signál šum BER Bit Error Ratio poměr bitové chyby VBER Viterbi Bit Error Ratio - poměr bitové chyby po korekci Viterbi MER ModulationError Ratio chybovost modulace C/N Carrier to Noise Ratio Tento parametr je jeden ze základních měřených parametrů u modulovaného přenosu. Měří se jak u analogového televizního signálu, tak u signálu digitálního. Digitální signály určené pro přenos v sítích kabelové televize v dopředném, nebo zpětném směru jsou vždy namodulované na nosný signál pomocí jedné s dříve uvedených modulací. Při přenosu digitálního signálu se ovšem postupně objevuje na přenosovém mediu (převážně v koaxiálních kabelech) termický šum a ten se postupně negativně projevuje na kvalitě přenosu a zhoršuje měřené parametry přenosu. V praxi se tento parametr pojmenoval jako odstup signál šum. Zkratkou pro toto měření je SNR Signal to Noise Ratio. Na obrázku 2.7 je ukázka základního spektrálního měření, kde se využívá poměr měření powerlevel (úroveň signálu v dbmv) nosného modulovaného signálu a souběžně s frekvenčním odstupem měřeného šumu měřením powerlevel (úroveň signálu v dbmv). Vždy se měří úroveň šumu ihned vedle nosné modulovaného signálu. 26

28 Obr C/N odstup signál šum [zdroj: 5] BER Bit Error Ratio Parametr BER (Bit Error Ratio) je údaj bitové chybovosti v měřeném datovém bloku. V digitálním vysílání v dopředném i zpětném směru se objevují vždy chyby přenosu a to důsledkem termického šumu, rušení, zkreslení modulovaného signálu nebo nesprávnou bitovou synchronizací. BER je počet bitových chyb, dělený celkovým počtem přenášených bitů v datovém transportním toku. Vždy se uvádí chybovost v určitém měřeném bloku měřeného v čase. BER tedy udává počet očekávaných a přenesených bitů, které byly měřeny jako poškozené, nebo nesprávné. Toto měření je prováděno před jakoukoliv bitovou korekcí a to včetně bitů, které jsou využity k následné opravě datových bloků, paketů. Poměr bitové chyby v modulovaném signálu je předveden na následujícím příkladu. 27

29 Příklad: Pokud je na vstupním kanále naměřeno CBER 8,2E-05, kolik je bitových chyb v měřeném bitovém bloku? Pro BER platí: E-01 = 10 (blok 10 bitů) E-02 = 100 (blok 100 bitů) E-03 = 1000 (blok 1000 bitů) E-04 = 10,000 (blok 10,000 bitů) E-05 = 100,000 (blok 100,000 bitů) E-06 = 1,000,000 (blok 1,000,000 bitů) E-07 = 10,000,000 (blok 10,000,000 bitů) E-08 = 100,000,000 (blok 100,000,000 bitů) Potom pro CBER 8,2E-05 je 8,2 bitů z bloku 100,000 bitů přeneseno nekorektně. BER lze také analyzovat pomocí stochastických počítačových modelů. Když je pro přenos použít jednoduchý kanál se zdrojem dat, může být BER vypočítán analyticky. Příkladem takového zdroje dat je Bernoulliho distribuce. K zlepšení přenosu modulovaného signálu lze použít zvýšení úrovně přenášeného signálu (zvýšení energie na jeden přenášený bit) při zachování původní úrovně šumu. V podstatě to znamená zvýšení vzdálenosti mezi jednotlivým symboly. Tato závislost je zobrazena na obrázku 2.8 pomocí parametru E b /N o. Platí, že E b je energie na jeden bit a N o je výkon šumu na 1Hz. Pro vztah platí hodnota vyjádřena v db. 28

30 Obr poměr BER / E b /N 0 [zdroj: 6] VBER Viterbi Bit Error Ratio Parametr VBER (Viterbi Bit Error Ratio) je údaj bitové chybovosti v měřeném datovém bloku po korekci chyb. V datovém toku se objevují chyby způsobené termickým šumem, rušením apod.. Viterbi zobrazí nejlepší možný stav datového toku po využití opravných bloků, které jsou implementovány do datového toku. Demodulátor potom pracuje s již opraveným digitálním signálem. Korekce Viterbi je často označována jako FEC (Forward ErrorCorrection). V podstatě to znamená dopředná korekce chyb. Poměr FEC se vždy určuje na výstupním modulátoru. Je tedy možné nastavit poměr 1/2, 2/3, 3/4, 5/6 a 7/8. Tento poměr znamená, že např. při použitý FEC 3/4 je z bloku 4 bitu čistě datových 3 bity a jeden z přenášených bitů je určen pro korekci vzniklých chyb. Při nastavení vysokých hodnot FEC se tedy velmi snižuje propustnost měřeného bloku digitálního signálu. 29

31 2.3.4 MER ModulationError Ratio MER je vyjádření chyb v použité modulaci. MER je komplexním zobrazením chybovosti, zahrnuje všechny vadné charaktery modulačního přenosu. MER je tedy komplexním měřením chybovosti přenosu. V podstatě je MER obdobou měření SNR (odstup signál šum) používaným při měření analogového signálu. MER se obvykle vyjadřuje v jednotkách db (decibel). S měřením MER úzce souvisí konstalační diagram a vektorový diagram. MER tedy udává chybu, odchylku výsledného vektoru v rovině IQ. Tato odchylka je vzdálenost mezi ideálně vyslaným a očekáváným bodem a jeho skutečnou polohou v rovině IQ. Na obrázku 2.9 je jsou zobrazeny jednotlivé vlivy rušení na kvalitu přenosu. Obr IQ rovina zobrazení chyb v přenosu [zdroj: vlastní] 30

32 Konstalační diagram zobrazuje do roviny IQ pouze jednotlivé stavy amplitudy a fáze. Tyto stavy jsou tedy zobrazeny jako výslednice obou modulačních složek. Díky konstalačnímu diagramu lze snadno vyhodnocovat jednotlivé stavy signálu a současně konstalační diagram zobrazuje chybu v přenosu. Na obrázku 2.10 je zobrazen ideální konstalační diagram bez jakéhokoliv zkreslení při přenosů. Obr ideální konstalční diagram 16QAM [zdroj: 7] 31

33 Na obrázku 2.11 je zobrazen vliv odstupu signál šum SNR na kvalitu přenosu modulovaného signálu. Toto zhoršení je vyobrazeno na konstalačních diagramech. Obr konstalační diagram vliv SNR [zdroj: 8] 32

34 Vektorový diagram na rozdíl od konstalačního diagramu vzniká plynulým zobrazením výslednice modulačních složek I aq. Vektorový diagram tedy zobrazuje jednotlivé stavy i přechody mezi nimi. Na vektorovém digramu jsou vidět cesty, kterým prochází měřená nosná signálu, která přechází z jednoho stavu do druhého. Vektorový diagram ovšem nezobrazuje explicitní chyby v jednotlivých polohách vektoru. Pro z něj nelze dobře vyčíst zkreslení měřeného signálu.na obrázku 2.12 je znázorněn vektorový diagram modulace 16QAM. Obr vektorový diagram [zdroj: 7] 33

35 2.4 DOCSIS DOCSIS (Data Over Cable Service Interface Specification) je mezinárodní telekomunikační standard. Umožňuje využití sítí televizních kabelových operátorů a to v metalické (koaxiální) i optické podobě k vysokorychlostnímu datovému přenosu. Základní myšlenka je tedy využití stávající infrastruktury (kabeláže) k datovým přenosům. Hlavním funkcí je tedy komunikace a provoz internetu na sítích kabelových operátorů Historie DOCSIS byl vyvinut společností CableLaps ve spolupráci se společnostmi 3Com, Arris, Cisco, BigbandNetworks, Broadcom, Conexant, Correlant, Intel, Harmonic, Motorola, Netgear, Terayon, Texas Instrument. První specifikace DOCSIS byla označena jako 1.0. Tato revize byla vydána v březnu Tato verze byla používána až do roku V březnu tohoto roku byla vydána verze 1.1. Hlavním důvodem bylo zavedená dalších služeb pro DOCSIS. Hlavním novým parametrem bylo zavedení služby QoS (QualityofService). Tato služba umožnila bezproblémový provoz datových komunikací jako VOIP (VoiceOver IP). Z důvodu požadavků na symetrický datový přenos vznikla v roce 2001 verze DOCSIS 2.0. Tato verze byla zavedena hlavně z důvodu zvýšení přenosové rychlosti ve zpětném směru (směr od zákazníka) a dopředném směru (směr k zákazníkovi). V roce 2006 byla vydána verze DOCSIS 3.0. Současně se ve verzi 3.0 objevuje podpora protokolu IPv6. Ve všech verzích DOCSIS je vždy zachována zpětná podpora předchozích verzí. DOCSIS 3.0 se charakterizuje již velmi vysokými přenosovými rychlostmi. V současné době někteří operátoři kabelových televizí nabízí rychlosti přesahující 240MBit/s v dopředném směru a 20MBit/s ve zpětném směru. Poslední verzí je DOCSIS 3.1. Tato platforma vznikla s cíle podpořit přenosovou kapacitu na rychlosti, kde dopředný směr dosahuje 10GBit/s a zpětný směr dosahuje rychlost 1GBit/s. 34

36 2.4.2 Regionální varianty Tak jako se liší šířky pásma v sítích CATV pro Spojené státy a Evropu, pro DOCSIS vzniká také přímo Evropská varianta označovaná jako EuroDOCSIS. Tento rozdíl vychází ze základního použití systému PAL (šířka 8MHz) pro Evropu a NTSC (šířka 6MHz) pro Spojené státy. Větší šířka pásma samozřejmě přináší větší přenosové kapacity v dopředném směru. Rozdíl mezi přenosovými rychlostmi DOCSIS a EuroDOCSIS si je patrný v tabulce 2.1. Zkoušky a jednotlivé certifikáty pro EuroDOCSIS zajišťuje a uděluje společnost Excentis. Na DOCSIS se specializuje firma CableLaps. Typicky je pro zařízení používané u zákazníka vydáván certifikát a pro zařízení na hlavní stanici (CMTS) je vydána kvalifikace Mezinárodní standardy Telekomunikační standardní sektor ITU (ITU-T) schválil různé varianty DOCSIS i mezinárodní normy. DOCSIS/EuroDOCSIS 1.0/ 1.1 = ITU-T J.112 příloha B (příloha C pro Japonsko) DOCSIS 2.0 = ITU-T J.122 (příloha F pro EuroDOCSIS, příloha J pro Japonsko) DOCSIS 3.0 = ITU-T J.222 (J.222.0, J.222.1, J.222.2, J.222.3) Funkcionalita DOCSIS DOCSIS poskytuje širokou škálu možností propojení v modelu OSI na vrstvě 1 fyzické a 2 vrstvě datové. Fyzická vrstva: Šířka pásma: Všechny verze DOCSIS mohou využívat bud šířku dopředného směru 6MHz (Spojené státy) a 8MHz pro (Evropu) EuroDOCSIS. Ve zpětném směru se využívá šířky pásma 200kHz až 3,2MHz pro DOCSIS 1.0/1.1. Pro standard DOCSIS 2.0/3.0 lze ve zpětném kanále využít šířku pásma 200kHz až 6,4MHz. 35

37 Modulace: Pro všechny verze DOCSIS platí, že použité modulace v dopředném směru jsou 64QAM a 256QAM. Pro šírku pásma 6MHz v dopředném směru tedy lze využít modulace 64QAM a 256QAM. Tyto modulace jsou standardizovány normou IUT-T J.83 příloha B. Pro šířku pásma 8MHz v dopředném směru platí stejná pravidla jako u přenosu DVB-C. Ve zpětném směru jsou využívány pro DOCSIS 1.0/1.1 modulace QPSK, 8QAM, 16QAM, 32QAM, 64QAM. Pro DOCSIS 2.0 a 3.0 navíc přibývá možnost použít pro zpětný směr modulace 128QAM. Datová vrstva: DOCSIS využívá směs deterministických metod pro přenos ve zpětném směru. Speciálně se jedná o TDMA pro DOCSIS 1.0/1.1 a TDMA, S-CDMA pro DOCSIS 2.0 a 3.0. Jedná se o časově řízený přístup ke zpětnému kanálu a využití šířky pásma zpětného kanálu. DOCSIS 3.0 nově přináší funkci channelbonding což přináší tzv. sdružování kanálů v dopředném i zpětném směru. Tato funkce tedy umožňuje jednomu zákazníku využít současně více kanálu dopředného i zpětného směru a tím zásadně zvýšit datovou propustnost pro jednoho zákazníka. Síťová vrstva: Pro management DOCSIS modemů se využívá IP adres. DOCSIS 3.0 přináší podporu IPv6. Společnost CableLaps také přinesla možnost využití IPv6 pro DOCSIS 2.0. Nutností je ovšem aktualizace firmware jednotlivých prvků zajištujících datový přenos. 36

38 Propustnost: Díky kombinacím jednotlivých funkcí DOCSIS, které bylo popsány výše, je možné dosáhnout v dopředném směru pro jeden kanál rychlost až 55,62MBit/s ve zpětném směru rychlost až 30,72MBit/s. Jednotlivé přenosové možnosti jsou popsány v tabulce 2.1. Z tabulky 2.1 lze také charakterizovat výpočet maximální propustnosti pro DOCSIS 3.0. Pro příklad, modem má uzamčeny 4 dopředné (256QAM, 8MHz) a 4 zpětné (QAM64, 6,4MHz) kanály. Potom platí pro dopředný směr propustnost 4*55,62MBit/s a pro zpětný směr 4*30,72MBit/s. Výsledkem je tedy rychlost 222,48MBit/s v dopředném směru a ve zpětném směru rychlost 122,88MBit/s. Tabulka 2. 1 maximální dosažitelné rychlosti DOCSIS [zdroj: 9] 37

39 2.4.5 Hardware DOCSIS Architektura DOCSIS obsahuje dvě základní složky. Je to kabelový modem, který je umístěn u koncového zákazníka a CMTS (Cable Modem Termination System), který umístěn nejčastěji na hlavní stanici kabelové operátora. V současnosti je možné z důvodu separace sítě instalovat outdoorové zařízení CMTS přímo do hlavních uzlů rozvodu kabelové televize. CMTS se připojuje k hlavní stanice kabelové operátorů pomocí metalické koaxiální kabeláže standardně pomocí konektorů F. CMTS je hlavním prvkem pro funkčnost systému DOCSIS. Někdy je CMTS označována jako HeadEnd. Vyrábí se v různých podobách a konfiguracích a to k obsluze stovek až tisíců zákazníků. Větší modely CMTS většinou obsahují i redundanci jednotlivých součástí (napájecích zdrojů, síťových připojení, výstupních modulátorů i vstupních demodulátorů). Většina CMTS je v rackovém provedení. Objevují se modely, které zabírají 1RU až po modely které mají více jak 10RU s příkonem několika kw. Provedení CMTS je buď v podobě směrovač (router) nebo most (bridge). Většinou platí, že menší modely CMTS jsou vyráběny jako most a velké modely se zásadně vyrábějí jako směrovač. Pro provoz a nastavení prvků komunikace je nutné, aby byly provozovány další zařízení - servery. Na serverech, nebo přímo v CMTS (u větších modelů) běží důležité služby jako DHCP, TFTP, NAT, Firewall, apod.. Mezi nejúspěšnější výrobce CMTS se řadí firmy jako CASA Systems, Arris, Cisco Systems, Motorola. Na obrázku 2.13 je menší model CMTS CASA C2200. Tato CMTS je plně kompatibilní s DOCSIS 3.0. Její maximální konfigurace je 16 dopředných kanálů a 16 zpětných kanálů. Obr CMTS CASA Systems, řada C2200 [zdroj: 10] 38

40 Pro porovnání s CMTS CASA C2200 je na obrázku 2.14 zobrazena CMTS CASA C Tato platforma CMTS již nabízí velmi široké možnosti pro provoz systému DOCSIS. Toto modulární řešení CMTS nabízí možnost volit složení dopředných a zpětných kanálů pomocí zásuvných karet modulů. Kdy modul dopředného směru obsahuje až 16 dopředných kanálů a modul zpětného směru až 16 kanálů. Obr CMTS CASA Systems, řada [zdroj: 10] Kabelový modem je druhým článkem systému DOCSIS. Kabelové modemy se vyrábí v nejrůznějších podobách od nejjednodušších v provedení most (bridge) až po kombinace s router (směrovačem), přepínačem (switch) vč. možnosti AP (Acess Point WIFI). Současně je možné aby byl kabelový modem vybaven VOIP bránou, která umožňuje současně využít služeb IP telefonie. Tyto řešení se často využívají pro službu triple-play tato služba umožňuje koncovému zákazníkovi využít na jedné přípojce kabelové televize současně sledovat televizi, využívat internet a telefonovat. Nejvýznamnějšími výrobci kabelových modemů jsou Motorola, Cisco Systems, Scientific Atlanta, Arris, apod.. Na obrázku 2.15 je ukázka jednoduchého modelu kabelového modemu pro specifikaci DOCSIS 2.0 od firmy Motorola. 39

41 Obr modem Motorola SB5100 [zdroj: vlastní] Na obrázku 2.16 je zobrazen kabelový modem firmy Cisco Systems s označením EPC2425. Tento modem je určen pro systém DOCSIS 2.0. Současně je patrné že tento modem podporuje VOIP a současně je WIFI Routerem což velmi usnadní koncovému zákazníkovi připojení všech zařízení v jeho domácnosti. Obr modem Cisco Systems EPC 2425 [zdroj: 11] 40

42 3 Realizace laboratoří, měření Pro vybudování laboratoře byly použity prostory firmy NOEL s.r.o. Laboratoř vznikla za účelem měření dopředného i zpětného kanálu. Toto měření zahrnuje nejenom datové propustnosti technologie DOCSIS, ale současně měření chybovostí a parametrů, které jsou součástí modulovaného datové přenosu. Při prvotní rozvaze nad charakterem laboratoře bylo zvažováno přenosové medium. Za toto medium byla zvolena kaskáda čtyř zesilovačů pro zapojení na koaxiální kabeláž. Měření probíhalo systematicky jak na začátku přenosové distribuční kaskády, tak na jejím konci. Při měření byly použity měřící přístroje firmy Televes a JDSU. Tyto měřící přístroje prochází pravidelnou kalibraci. Ve vybudované laboratoři byla použita CMTS Motorola BSR2000 s využitím jednoho kanálu pro směr dopředný a jednoho kanálu pro směr zpětný. Zesilovače ve vybudované kaskádě jsou od firmy Teleste. Využity byly dva modely. Primární širokopásmový zesilovač s integrovaným zesilovačem zpětného směru řady Teleste AC3000. Pro sekundární zesilovače byly využity širokopásmové zesilovače s integrovaným zesilovačem zpětného směru řady Teleste CXE180. Jako koncový článek byly použity modemy značky Scientific Atlanta Při měření byla spuštěna a provozována služba EuroDOCSIS 2.0. Celá kaskáda byla spojena běžně dostupným koaxiálním kabelem. Hlavní pasivní prvky byly využity od firmy TKR Jašek s.r.o., Cabelcon a Toner. Napájení kaskády zajišťoval toroidní transformátor o výkonu 600VA. Použité prvky: Sever Hawlet-Packard CMTS Motorola BSR2000 Modem Scientific Atlanta 2100 Zesilovač primární Teleste AC3000 Zesilovač sekundární TelesteCXE180 Koaxiální kabel Cavel SAT602 a xxxxxx Pasivní prvky a konektory pro kabelovou televizi Zdroj napájecí toroidní Měřící přístrojteleves H60 a JDSU DSAM 3500XT 41

43 3.1 Hardware laboratoře Jak již bylo popsáno v předchozím odstavci, laboratoř byla postavena na prvcích distribuční soustavy pro využití v hlavních trasách kabelové televize CMTS Hlavním prvkem pro spuštění služby EuroDOCSIS byla CMTS Motorola BSR2000. Při měření bylo využito několik nastavení pro dopředný směr a to modulace QAM256 a QAM64 při šířce pásma 8MHz. Ve zpětném směru bylo využito několik modulačních profilů a to pro modulaci QPSK, 16QAM, 32QAM, 64QAM s použitím TDMA a SCDMA. Současně byly v laboratoři ověřeny propustnosti pro šířku zpětného kanálu 3,2MHz a 6,4MHz. Na obrázku 3.1 je CMTS Motorola BSR2000. Obr CMTS Motorola BSR2000 [zdroj: vlastní] Základní vlastnosti CMTS Motorola BSR2000: Velkost 1RU Příkon 150W Provozní teploty 0 C až 40 C DOCSIS 1.x, EuroDOCSIS 1.x, DOCSIS 2.0, EuroDOCSIS 2.0 Kanál dopředného směru v rozsahu od 88MHz do 857MHz Kanál zpětného směru od 5MHz do 65MHz (dle nastavení) Router 42

44 3.1.2 Modem Pro měření datových propustností byl zvolen modem modem podporující EuroDOCSIS 2.0 od výrobce Scientific Atlanta (model 2100). Tento modem vykazuje velmi dobré přenosové možnost. Modem je zachycen na obrázku 3.2. Modem má k dispozici pro připojení koncového účastníka konektor RJ45 (LAN) a USB. Modem je využíván v módu most (bridge). Konfigurace a nastavení modemu probíhá pomocí konfiguračních souborů, které si modem vyžádá po uzamčení a připojení na dopředný kanál, který vysílá CMTS. Proběhne stažení konfiguračního souboru s TFTP serveru a přiřazení vnitřních IP adres pro základní komunikaci management kabelového modemu. Uživatel (jeho PC, router) dostane přiřazenou svou IP od DHCP serveru, nebo staticky. Výsledné NAT komunikace zajišťuje nastavení routovacích pravidel v CMTS a serveru. Obr modem Scientific Atlanta 2100 [zdroj: vlastní] Základní vlastnosti modemu Scientific Atlanta 2100 DOCSIS 2.0, EuroDOCSIS 2.0 Dopředný kanál od 88MHz do 860MHz Maximální propustnost dopředný směr 43MBit/s Zpětný kanál od 5MHz do 42MHz Maximální propustnost zpětný kanál 30 Maximální vybuditelnost modulátoru +58dBmV (dle nastavení) Výstupní impedance 75Ω Napájení 12V, příkon 6W 43

45 3.1.3 Primární zesilovač V laboratoři byl použit v distribuční soustavě zesilovač Teleste AC3000. Tento zesilovač je jeden z nejmodernějších širokopásmových zesilovačů pro kabelové televize. Jeho součástí je i zesilovač zpětného směru. Velkou výhodou řady zesilovačů Teleste AC3000 je možnost automatické regulace zisku a vzdálená správa nastavení zesilovače. Na obrázku 3.3 je zesilovač Teleste AC3000 a na obrázku 3.4 je blokové schéma zesilovače Teleste AC3000. Obr zesilovač Teleste AC3000 [zdroj: 12] Základní vlastnosti zesilovače Teleste AC3000 Maximální vybuditelnost pro CSO 41 kanálů 117dBuV Zisk zesilovače v dopředném směru 40dB Zisk zesilovače ve zpětném směru 30dB Elektronicky řízená regulace pro dopředný i zpětný směr Možnost vzdálené správy včetně automatické regulace Příkon 28W Napájení lokální, vzdálené VAC, VAC Vstupy a výstupy modulární (závit PG11) 44

46 Obr blokové schéma zesilovačeteleste AC3000 [zdroj: 12] 45

47 3.1.4 Sekundární zesilovač V laboratoři byl použit v distribuční soustavě sekundární zesilovač Teleste CXE180. Tento zesilovač je jeden z nejmodernějších širokopásmových zesilovačů pro kabelové televize. Jeho součástí je i zesilovač zpětného směru. Velkou výhodou řady zesilovačů Teleste CXE180 je velká snadnost nastavení pomocí tzv. přepínačů útlumu. Na obrázku 3.5 je zesilovač Teleste CXE180 a na obrázku 3.6 je blokové schéma zesilovače Teleste CXE180. Obr zesilovač Teleste CXE180 [zdroj: 12] Základní vlastnosti zesilovače Teleste CXE180 Maximální vybuditelnost pro CSO 42 kanálů 114dBuV Zisk zesilovače v dopředném směru 40dB Zisk zesilovače ve zpětném směru 28dB Regulace pro dopředný i zpětný směr pomocí přepínačů (krok 1dB) Příkon 14W Napájení lokání, vzdálené VAC, VAC Kompaktní rozměry Vstupy a výstupy modulární (závit PG11) 46

48 Obr blokové schéma zesilovače Teleste CXE 180 [zdroj: 12] 47

49 3.1.5 Měřící přístroje Pro měření v laboratoři bylo využito několik měřících přístrojů. Využit byl klasický multimetr pro měření napětí, proudu a odporu, také se zpracovávala data ze spektrálního analyzátoru Televes H60 a měřícího přístroje pro DOCSIS od výrobce JDSU, typ DSAM 3500XT. Současně došlo k měření datové propustnosti pomocí modemů a měřícího přístroje DSAM. TELEVES H60 Kompaktní spektrální analyzátor Měření v rozsahu 5 MHz až 3300 MHz (-15 dbuv až 130 dbuv) Vstupní tunery DVB-C, DVB-S, DVB-S2, DVB-T, DVB-T2, analog Demodulace a zobrazení MPEG2, MPEG4 Optický měřící vstup ( 1310nm, 1490nm, 1550nm) Zobrazení spektra, konstalační diagram, měření BER, MER, C/N Obr měřící přístroj Televes H60 [zdroj: vlastní] 48

50 JDSU DSAM 3500XT Kompaktní měřící přístroj Umožňuje měření DOCSIS a EuroDOCSIS 1.1, 2.0 Spektrální analýza Měření konstalační diagram, BER, MER, C/N Možnost tvořit kanálové plány Generátor signálu pro měření ve zpětném směru Obr měřící přístroj JDSU DSAM 3500XT[zdroj: vlastní] 49

51 3.2 Zapojení laboratoře Laboratoř byla postavena z důvodu měření signálů a propustností přenosu digitálních dat pomocí systému DOCSIS. Při její tvorbě bylo dbáno na správné zapojení a využití všech dostupných prvků. V kaskádě byly využity primární zesilovače Teleste AC3000 a sekundární zesilovače Teleste CXE 180. Pro nasimulování útlumu kabeláže byly použity širokospektrální útlumové články od společnosti Toner. Hodnota útlumu byla 16dB mezi všemi zesilovači v kaskádě a současně na vstupu kaskády. Dopředný a zpětný směr z CMTS byl dělen na diplexeru. Za diplexerem byl vybudován měřící bod s útlumem 4dB z důvodu ověření funkčnosti systémů CMTS před vstupem do kaskády zesilovačů. Nastavení zesilovačů bylo provedeno tak aby kompenzovali kompletní útlum distribuční trasy. Z následujících fotografii (obr 3. 10, 3. 11, 3. 12, 3. 13) je zřejmě, že nebylo možné simulovat přirozené útlum koaxiálního vedení. Proto, nebylo nutné použít v nastavení zesilovačů takřka žádný náklon. Zisk kompenzoval útlumový článek a výstupní rozbočení, které bylo v zesilovači osazeno v podobě dvojitého vyvažovaného výstupu s útlumem 4dB. Nastavení zesilovačů jak v dopředném, tak zpětném směru bylo tedy vůči hodnotám vystupujícím z CMTS Motorola v poměru 1:1. Pro měření parametrů distribuční soustavy byly využity měřící body přímo instalované v zesilovačích. Pro měření propustnosti pomocí měřícího přístroje JDSU DSAM 3500XT a kabelového modemu byl použit výstup měřícího bodu před kaskádou zesilovačů a koncového výstup na posledním zesilovači. Pro korektní vybuzení modemu a měřícího přístroje byl použit útlum 30dB. Nastavení CMTS v dopředném směru bylo na úrovni 101dBuV a pro provoz dopředného kanálu byla zvolena frekvence 474MHz (kanál C21). Pro zpětný směr byla zvolena úroveň 65dBuV a frekvence 20MHz. Celá distribuční soustava zesilovačů byla napájena toroidním transformátorem o výkonu 600VA. 50

52 3.2.1 Blokové schéma laboratoře Obr blokové schéma laboratoře [zdroj: vlastní] 51

53 3.2.2 Měření v laboratoři Obr laboratoř [zdroj: vlastní] Obr laboratoř [zdroj: vlastní] 52

54 Obr laboratoř [zdroj: vlastní] Obr laboratoř [zdroj: vlastní] 53

55 3.3 Výsledky měření Měření dopředného směru bylo provedeno měřícím přístrojem Televes H60. V následující tabulce jsou zobrazeny výsledky měření. Měření byly provedeny na vstupních a výstupních měřících bodech primárních i sekundárních zesilovačů Parametry dopředného směru Výsledky měření pro kanál dopředného směru s modulací 64QAM. Channelinfo Plan Channel Frequency Channel type DOCSIS C21 474,00 DVB Parameter BW (MHz) Symbol Rate Spect. Invr Modulation Value Auto Auto Auto 64 QAM Power Measures C/N (db) CBER ( ) MER (db) (dbuv) AC3000_1_IN ,4 43,7 <1,0E-8 >38,0 AC3000_1_OUT ,2 >52,0 <1,0E-8 >38,0 AC3000_2_IN ,5 40,9 <1,0E-8 37,7 AC3000_2_OUT ,3 51,0 <1,0E-8 >38,0 CXE180_3_IN ,0 42,3 <1,0E-8 >38,0 CXE180_3_OUT ,4 49,5 <1,0E-8 >38,0 CXE180_4_IN ,9 43,1 <1,0E-8 >38,0 CXE180_4_OUT ,0 48,3 <1,0E-8 >38,0 Tab. 3.1 dopředný směr, modulace 64QAM [zdroj: vlastní] 54

56 Výsledky měření pro kanál dopředného směru s modulací 256QAM. Channelinfo Plan Channel Frequency Channel type DOCSIS C21 474,00 DVB Parameter BW (MHz) Symbol Rate Spect. Invr Modulation Value Auto Auto Auto 256 QAM Power Measures C/N (db) CBER ( ) MER (db) (dbuv) AC3000_1_IN ,1 37,1 <1,0E-8 >38,0 AC3000_1_OUT ,9 49,8 <1,0E-8 >38,0 AC3000_2_IN ,3 41,1 <1,0E-8 >38,0 AC3000_2_OUT ,0 50,3 <1,0E-8 >38,0 CXE180_3_IN ,6 42,4 <1,0E-8 >38,0 CXE180_3_OUT ,3 49,3 <1,0E-8 >38,0 CXE180_4_IN ,8 43,3 <1,0E-8 >38,0 CXE180_4_OUT ,7 48,1 <1,0E-8 >38,0 Tab dopředný směr, modulace 256QAM [zdroj: vlastní] 55