大對(duì)數(shù)通信電纜串音特性及仿真分析

摘要:就電纜線對(duì)間串音和多線對(duì)電纜串音的統(tǒng)計(jì)意義兩方而分析電纜的串音特性，推導(dǎo)出了線對(duì)間的結(jié)構(gòu)尺寸與系統(tǒng)性串音禍合矢量的關(guān)系式和線對(duì)間距離函數(shù)，通過(guò)對(duì)線對(duì)間距離函數(shù)的計(jì)算，明確了線對(duì)絞合節(jié)距對(duì)系統(tǒng)性串音的影響，分析了影響隨機(jī)性串音大小的主要因素，探討了減小隨機(jī)性串音的途徑，對(duì)大對(duì)數(shù)電纜的串音特性進(jìn)行了仿真分析。

關(guān)鍵詞:大對(duì)數(shù)電纜;串音分析;串音檢測(cè)

中圖分類號(hào):TM246文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):1009-3044(2009)36-10527-02

Large Number of Communication Cables on the Crosstalk Characteristics and Simulation Analysis

JIANG Ya-jun

(China United Telecommunications Co. Ltd， Baoding 074312， China)

Abstract: On the crosstalk between cable pairs and multi-line crosstalk of the statistical significance of cable both cable crosstalk characteristics of the analysis derived the structure of the line between the right size and systemic crosstalk coupling between vector-style and line of the distance function between the right by-line calculation of the distance function， defined the line pitch of the twisted pairs of systemic effects of crosstalk analysis of the impact of the size of random crosstalk a major factor in reducing the randomness of crosstalk way to large for the number of cable crosstalk characteristics of a simulation analysis.

Key words: great for a few cables; crosstalk analysis; crosstalk test

我國(guó)電信事業(yè)正處在高速發(fā)展時(shí)期，在長(zhǎng)途線路與市內(nèi)局間中繼線路上已廣泛采用光纜進(jìn)行數(shù)字傳輸。由于經(jīng)濟(jì)原因，市內(nèi)用戶線路網(wǎng)仍普遍采用銅線對(duì)的電纜進(jìn)行模擬傳輸，在發(fā)達(dá)國(guó)家雖然在發(fā)展用戶光纜，但也積極設(shè)法利用已有的大量銅纜。

目前應(yīng)用的市內(nèi)通信電纜的結(jié)構(gòu)是:在銅線上擠制一層聚烯烴類的絕緣體形成心線，把兩根心線扭絞成線對(duì)，再用25對(duì)線絞合成一個(gè)基木單位，最后將若干個(gè)基木單位絞合成纜，外加鋁帶屏蔽層和聚烯烴外護(hù)層形成電纜[1]。山線對(duì)中相對(duì)的兩根心線構(gòu)成實(shí)線回路。使用這種市內(nèi)通信電纜的原有中繼線路、用戶環(huán)路及交換局內(nèi)的線路上是以模擬電話業(yè)務(wù)為主，因而小能充分保證高頻段的串音特性，所以對(duì)各種傳輸系統(tǒng)在選擇線對(duì)方而有著嚴(yán)格的收容限制。

通信電纜串音指標(biāo)的好壞直接反映通信電纜的抗噪音能力，同時(shí)又直接影響數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼`碼率，也是決定布線最大長(zhǎng)度和系統(tǒng)帶寬的重要因素，所以隨著數(shù)字通信電纜傳輸頻寬的擴(kuò)展，串音及與串音有關(guān)的指標(biāo)在TIA /EIA 568B 和ISO/IEC 11801標(biāo)準(zhǔn)中均作出相應(yīng)的增加或提高， 從而適應(yīng)帶寬不斷擴(kuò)展的需要[2]。

就電纜線對(duì)間串音和多線對(duì)電纜串音的統(tǒng)計(jì)意義兩方而分析電纜的串音特性。一方而，從電纜線對(duì)間串音現(xiàn)象的實(shí)質(zhì)出發(fā)，將串音分為系統(tǒng)性串音和隨機(jī)性串音。首先，推導(dǎo)出了線對(duì)間的結(jié)構(gòu)尺寸與系統(tǒng)性串音禍合矢量的關(guān)系式和線對(duì)間距離函數(shù)，通過(guò)對(duì)線對(duì)間距離函數(shù)的計(jì)算，明確了線對(duì)絞合節(jié)距對(duì)系統(tǒng)性串音的影響。其次，分析了影響隨機(jī)性串音大小的主要因素，探討了減小隨機(jī)性串音的途徑。

1 電纜線對(duì)間系統(tǒng)性串音

市內(nèi)通信采用對(duì)稱雙線回路，當(dāng)電纜內(nèi)某一對(duì)線工作時(shí)，它所產(chǎn)生的電磁場(chǎng)將在同一電纜的其它線對(duì)上產(chǎn)生感應(yīng)電壓與電流(電磁藕合)而引起串音。要減少總的串音，一方面是減小系統(tǒng)性串音;另一方面是減小種隨機(jī)變化。線對(duì)間的直接系統(tǒng)性串音決定于主/被串線對(duì)間的電磁報(bào)合。單位長(zhǎng)度的電藕合系數(shù)為:[3]

(1)

單位長(zhǎng)度的磁藕合系數(shù)為:

(2)

εr:電纜的等效介電常數(shù);

μr:電纜的相對(duì)導(dǎo)磁系數(shù);

ρ:線對(duì)中心到導(dǎo)線中心的距離;

r0:導(dǎo)線半徑;

dij:線芯i與線芯j之間的距離，1、2為線對(duì)a ，3、4 為線對(duì) b ;

η:考慮到主/被串線對(duì)間所存在的其它導(dǎo)線的屏蔽作用所需的修正。

普通大對(duì)數(shù)電纜是以25對(duì)為一個(gè)基本單位，作3+9+13三層絞合，其周圍為其它基本單位或屏蔽。理論和實(shí)驗(yàn)表明，由于主/被串線對(duì)所在層的外面存在線對(duì)層或纜芯屏蔽，在50kHz 以上的頻帶內(nèi)，還要考慮到主串回路的鏡象與被串回路之間的電磁耦合，即

(3)

(4)

線對(duì)間的總的電藕合k及磁藕合m分別為k=k'-k\"，m=m'-m\"。

因?yàn)殡娎|線對(duì)和纜芯是以一定的節(jié)距扭絞的，所以式(1)～(4)中右邊的對(duì)數(shù)因子均為沿電纜軸的距離x的函數(shù)，故k和m可寫成:

k=t [ L1 (x) - L2 (x) ] (5)

m=q [ L1 (x) - L2 (x) ] (6)

以上公式表明:系統(tǒng)性串音同電纜所使用的原材料參數(shù)和結(jié)構(gòu)尺寸有關(guān)，另外，同主/被串線對(duì)線芯間的距離和其它導(dǎo)線的屏蔽作用有關(guān)。修正系數(shù)同主/被串線對(duì)相距遠(yuǎn)近有關(guān)，即當(dāng)主/被串線對(duì)間不存在其它導(dǎo)線時(shí)，η=1;而當(dāng)存在許多導(dǎo)線時(shí)，η→0。在市內(nèi)通信電纜中，纜芯絞合比較緊密，所以，相鄰線對(duì)組合η≈1，相隔一對(duì)線對(duì)組合η<1，其它線對(duì)組合η<<1。但是，電纜芯中總是不可避免地存在相鄰線對(duì)和相隔線對(duì)，η值提示我們要特別注意減小相靠近線對(duì)的電磁耦合。

2 隨機(jī)性因素對(duì)串音影響的一般分析

絕緣線芯、絞合線對(duì)的幾何尺寸(包括節(jié)距)的不均勻性，都將影響串音。對(duì)于線對(duì)間位置不穩(wěn)定這一隨機(jī)性現(xiàn)象則應(yīng)基于式(1)～式(4)作全面的分析。最理想的情況是d13·d24= d 23·d14和d13·d24 = d23·d14，即k '、m '和 k ''、m ''都為零，但這種絕對(duì)的“對(duì)稱”是不存在的。較為理想且可能存在的情況是主/被串線對(duì)相距較遠(yuǎn)，使:

則修正系數(shù)η<<1，即 k '、m '和 k ''、m ''將非常小。

多數(shù)線對(duì)間的組合必須依靠回路的扭絞成對(duì)的優(yōu)化設(shè)計(jì)來(lái)減小串音。絞對(duì)的原理即是使線對(duì)中兩線芯位置不斷互換，使得(d13(x)·d24(x))/(d23(x)·d14(x))和(d1'3( x)·d2'4(x))/(d2'3(x)·d1'4(x))在大于1與小于1之間周期性波動(dòng)，因而L1(x)、L2(x)時(shí)正時(shí)負(fù)，從而在整個(gè)電纜長(zhǎng)度上k、m各自部分抵消。對(duì)數(shù)因子正負(fù)變化的頻次越高、幅度越均勻，則電纜總長(zhǎng)度上的k、m越小，即串音越小。這就要求兩線對(duì)的節(jié)距大小均勻、搭配合適。然而，沿電纜長(zhǎng)度線對(duì)的節(jié)距變形、突然扭轉(zhuǎn)等隨機(jī)性因素將削弱 k、m抵消程度[4]。

改進(jìn)制造設(shè)備與嚴(yán)格控制工藝條件及制造精度對(duì)減小隨機(jī)性串音是必要的。遠(yuǎn)端串音防衛(wèi)度的功率平均值(RMS)比平均值(M)更為敏感地受到某些遠(yuǎn)端串音防衛(wèi)度較低的組合的影響;而近端串音衰減的平均值--標(biāo)準(zhǔn)差(M/S)也會(huì)因各個(gè)組合的實(shí)測(cè)值相差懸殊而在一定程度上受到影響。因此，希望各個(gè)組合的串音衰減盡量均勻分布。固定線對(duì)位置，優(yōu)化絞對(duì)節(jié)距不能完全滿足這一要求。余下的辦法即是使整個(gè)電纜長(zhǎng)度上基本單位內(nèi)所有線對(duì)間具有盡可能相同的平均距離，這正是交叉絞合的基本原理[5]。

電纜內(nèi)線對(duì)間的串音是由系統(tǒng)性串音和隨機(jī)性串音組成的。所謂系統(tǒng)性串音也即是理想結(jié)構(gòu)的串音，隨機(jī)性串音是由于各種不均勻性因素在系統(tǒng)性串音的基礎(chǔ)上產(chǎn)生的附加串音。

3 串音檢測(cè)原理

首先對(duì)語(yǔ)音信號(hào)進(jìn)行低通濾波，去除與基頻無(wú)關(guān)的高頻成分?？梢圆捎媚M濾波，也可以采用數(shù)字濾波。實(shí)驗(yàn)中采用了數(shù)字巴特沃斯濾波器(經(jīng)雙線性變換，采樣頻率為11 kHz)，相當(dāng)于截止頻率為600 Hz模擬低通濾波器.然后將低通濾波后的序列輸入信號(hào)峰值處理器，產(chǎn)生六個(gè)序列:序列1在每一個(gè)峰處產(chǎn)生一個(gè)等于峰值的沖激;序列2在每一個(gè)峰處產(chǎn)生一個(gè)等于該峰值減去前一個(gè)谷值的沖激;序列3在每一個(gè)峰處產(chǎn)生一個(gè)等于該峰值減去前一個(gè)峰值的沖激(若為負(fù)則為零);序列4在每一個(gè)谷處產(chǎn)生一個(gè)等于谷值絕對(duì)值的沖激;序列5在每一個(gè)谷處產(chǎn)生一個(gè)等于該谷值絕對(duì)值加前一個(gè)峰值的沖激;序列6在每一個(gè)谷處產(chǎn)生一個(gè)等于該谷值絕對(duì)值加前一個(gè)谷值的沖激(若為負(fù)則為零)。

將信號(hào)峰值處理器產(chǎn)生的六個(gè)序列分別輸人到六個(gè)基頻估值器中。工作過(guò)程如下:用時(shí)變非線性系統(tǒng)處理每個(gè)沖激序列，當(dāng)在輸入端檢測(cè)到一個(gè)足夠大的沖激時(shí)，輸出就恢復(fù)到該沖激數(shù)值，然后保持一個(gè)間隔時(shí)間0.5T0 ， 0.5T0等于基頻估值器前一個(gè)基音周期估值的0.5倍。在這個(gè)時(shí)間間隔里不檢測(cè)脈沖，在此間隔結(jié)束時(shí)，輸出按指數(shù)衰減，當(dāng)一個(gè)沖激超過(guò)指數(shù)衰減輸出值時(shí)，則再進(jìn)行如上處理。兩脈沖的間隔就是基音周期的估值。指數(shù)衰減的規(guī)律是經(jīng)過(guò)時(shí)間0.5T0衰減為0.5。

4 仿真實(shí)驗(yàn)分析

本方案用計(jì)算機(jī)進(jìn)行了仿真實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)平臺(tái)是一臺(tái)帶聲卡的486兼容機(jī)。所有數(shù)據(jù)均為11 kHz采樣、8 bit均勻量化的raw型文件。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表1-表3.實(shí)驗(yàn)中串音是通過(guò)兩個(gè)語(yǔ)音直接迭加實(shí)現(xiàn)的.異常指數(shù)法的實(shí)驗(yàn)由三部分構(gòu)成:a.強(qiáng)度相當(dāng)?shù)拇魧?shí)驗(yàn);b.串音強(qiáng)度不同的實(shí)驗(yàn);c.不同信噪比下的異常指數(shù).

從表1中可看出未串音時(shí)異常指數(shù)分布在。0.15-0.32，數(shù)值較小并且有上限;串音時(shí)分布在0. 42-0. 60，并且串音時(shí)異常指數(shù)的值大于它們各自異常指數(shù)的和，設(shè)f(·)表示求異常指數(shù)運(yùn)算，x1(t)表示第一個(gè)語(yǔ)音信號(hào)，x2(t)表示第二個(gè)語(yǔ)音信號(hào)，根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果有:

f(x1(t)+x2(t))>f(x1(t))+f(x2(t))

實(shí)驗(yàn)還表明在約1s的時(shí)間內(nèi)即可檢測(cè)出串音，需要指出的是實(shí)驗(yàn)是在信噪比較大的條件下作的。另外，在串音強(qiáng)度相當(dāng)?shù)那闆r下，每2s計(jì)算一次異常指數(shù)時(shí)，串音的漏檢概率為0. 033，虛警概率為0.133。

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表2在串音中的兩個(gè)語(yǔ)音強(qiáng)度差別在15 dB時(shí)仍然可以檢測(cè)出串音。

不同信噪比下語(yǔ)音的異常指數(shù)數(shù)據(jù)見(jiàn)表3，從表中可發(fā)現(xiàn)異常指數(shù)值基本上是信噪比的減函數(shù)，信噪比越大異常指數(shù)越小，這符合本文的預(yù)計(jì):異常指數(shù)有反映信噪比的能力。

5 總結(jié)

電纜內(nèi)的串音有系統(tǒng)性串音與隨機(jī)性串音兩類系統(tǒng)性串音是在理想情況下的串音它有 規(guī)律的波動(dòng)，不隨長(zhǎng)度積累隨機(jī)性串音是由于各種不規(guī)則性在系統(tǒng)性串音的基礎(chǔ)上產(chǎn)生的附加申音，它隨長(zhǎng)度增加而功率疊加要減小串音，應(yīng)當(dāng)從系統(tǒng)性串音與隨機(jī)性串音兩方面考慮。理論和實(shí)驗(yàn)指出異常指數(shù)有三個(gè)特點(diǎn):正常語(yǔ)音的異常指數(shù)較小、準(zhǔn)確檢測(cè)串音，包括串音強(qiáng)度不同的情況、信噪比大時(shí)異常指數(shù)小，信噪比小時(shí)異常指數(shù)大，有反映信噪比的能力。

參考文獻(xiàn):

[1] 戴英培.多線對(duì)市內(nèi)通信電纜串音特性分析[J].哈爾濱理工大學(xué)，2005(3).

[2] 方敏.關(guān)于通信用水平對(duì)絞電纜串音性能的討論[J].電線電纜，2004(8):19-22.

[3] 簡(jiǎn)水生.通信線路原理時(shí)[M].北京:中國(guó)鐵道出版社，1987.

[4] 大村誠(chéng)，小島伸哉.星形平衡ケーブルのカッドの寸法偏差と上漏話特性[J].電子通信學(xué)會(huì)論文誌，1981，64B(5):459-469.

[5] Holte N.A Crosstalk Model for Crosstalk–Stranded Cables[C].51st IWCS，2002:207-220.