尽管以太网得到广泛使用，但基于 DSL 的通信技术至今仍然具有重要意义。 到目前为止，DSL 可以在最后一英里网络中找到，用于将用户设备连接到互联网提供商网络，并且最近该技术越来越多地用于本地网络的建设，例如在工业应用中，DSL 充当以太网的补充或基于RS-232/422/485的现场网络。 欧洲和亚洲发达国家也积极采用类似的工业解决方案。
DSL 是一系列标准，最初是为通过电话线传输数字数据而设计的。 从历史上看，它成为第一个宽带互联网接入技术，取代了 DIAL UP 和 ISDN。 目前存在的 DSL 标准种类繁多，是因为许多公司从 80 年代开始就试图开发和销售自己的技术。
所有这些发展可以分为两大类——非对称（ADSL）和对称（SDSL）技术。 非对称是指传入连接的速度与传出流量的速度不同的情况。 对称意味着接收和传输速度相等。
事实上，最知名和最广泛的非对称标准是 ADSL（最新版本 - ADSL2+）和 VDSL (VDSL2)，对称标准 - HDSL（过时的配置文件）和 SHDSL。 它们的不同之处在于它们工作在不同的频率，并在物理通信线路上使用不同的编码和调制方法。 纠错方法也不同，导致抗噪声能力不同。 因此，每种技术在数据传输的速度和距离方面都有其自身的限制，包括取决于导体的类型和质量。
各种DSL标准的限制
在任何 DSL 技术中，数据传输速率都会随着电缆长度的增加而降低。 在极端距离下，可以获得几百 kb 的速度，但当传输数据超过 200-300 m 时，可以获得最大可能的速度。
在所有技术中，SHDSL 有一个显着的优势，使其能够在工业应用中使用——高抗噪性以及能够使用任何类型的导体进行数据传输。 非对称标准的情况并非如此，通信质量很大程度上取决于用于数据传输的线路质量。 特别建议使用双绞电话线。 在这种情况下，更可靠的解决方案是使用光缆来代替ADSL和VDSL。
任何相互隔离的导体对都适用于SHDSL——铜、铝、钢等。传输介质可以是旧电线、旧电话线、铁丝网等。
SHDSL 数据传输速度对距离和导体类型的依赖性
从 SHDSL 给出的数据传输速度与距离和导体类型的关系图可以看出，具有大横截面的导体允许您在更远的距离上传输信息。 借助该技术，可以在长达 20 公里的距离内以 15.3 线电缆 2 Mb/s 的最大速度或 30 线电缆 4 Mb/s 的最大速度组织通信。 在实际应用中，可以手动设置传输速度，这在强电磁干扰或线路质量较差的情况下是必要的。 在这种情况下，要增加传输距离，就需要降低SHDSL设备的速度。 要根据导体的距离和类型准确计算速度，您可以使用免费软件，例如 .
为什么SHDSL具有高抗噪能力？
SHDSL收发器的工作原理可以用框图的形式表示，其中从应用的角度区分了特定的和独立的（不变的）部分。 独立部分由PMD（物理介质相关）和PMS-TC（物理介质特定TC层）功能块组成，而特定部分包括TPS-TC（传输协议特定TC层）层和用户数据接口。
收发器 (STU) 之间的物理链路可以作为单对或多对单对电缆存在。 在多个电缆对的情况下，STU 包含与单个 PMS-TC 关联的多个独立 PMD。
SHDSL收发器（STU）的功能模型
TPS-TC 模块取决于设备所使用的应用（以太网、RS-232/422/485 等）。 其任务是将用户数据转换为SHDSL格式，并对多路用户数据进行复用/解复用以及时间调整。
在PMS-TC级别，SHDSL帧被形成和同步，以及加扰和解扰。
PMD模块执行信息编码/解码、调制/解调、回声消除、通信线路上的参数协商以及建立收发器之间的连接的功能。 正是在 PMD 级别执行主要操作，以确保 SHDSL 的高抗噪性，包括 TCPAM 编码（带模拟脉冲调制的网格编码），这是一种联合编码和调制机制，与单独的编码和调制机制相比，可提高信号的频谱效率。方法。 PMD模块的工作原理也可以用功能图的形式表示。
PMD 模块框图
TC-PAM 基于卷积编码器的使用，该编码器在 SHDSL 发送器侧生成冗余比特序列。 在每个时钟周期，到达编码器输入的每个位在输出处被分配一个双位（dibit）。 因此，以相对较少的冗余为代价，提高了传输噪声抗扰度。 使用Trellis调制可以减少所使用的数据传输带宽并简化硬件，同时保持相同的信噪比。
Trellis 编码器 (TC-PAM 16) 的工作原理
双位由基于输入位 x2(tn) 和位 x1(tn-1)、x1(tn-1) 等的逻辑模 2（异或）加法运算形成。 （总共最多可以有 20 个），它们之前在编码器输入处接收并保留存储在内存寄存器中。 在编码器 tn+1 的下一个时钟周期，位将在存储器单元中移位以执行逻辑操作：位 x1(tn) 将移入存储器，移位存储在那里的整个位序列。
卷积编码器算法
模 2 的加法运算真值表
为了清楚起见，使用卷积编码器的状态图很方便，从中您可以看到编码器在 tn、tn+1 等时刻处于什么状态。 取决于输入数据。 在这种情况下，编码器状态意味着输入位x1(tn)和第一个存储单元中的位x1(tn-1)的一对值。 要构建图表，您可以使用图表，在其顶点处存在编码器的可能状态，并且从一种状态到另一种状态的转换由相应的输入位 x1(tn) 和输出位 $inline$y ₀y 表示₁(t ₀)$内联$。
发送器卷积编码器的状态图和转换图
在发射机中，基于接收到的四位（编码器的两个输出位和两个数据位）形成一个符号，每个符号对应于模拟脉冲调制器的调制信号的自身幅度。
16 位 AIM 的状态取决于四位字符的值
在信号接收器一侧，发生相反的过程 - 从编码器 x0(tn) 所需输入位序列的冗余码（双位 y1y1(tn)）中进行解调和选择。 该操作由维特比解码器执行。
解码器算法基于计算所有可能的预期编码器状态的误差度量。 错误度量是指每个可能路径的接收比特和预期比特之间的差异。 如果没有接收错误，则真实路径错误度量将为 0，因为不存在位发散。 对于错误路径，度量将不同于零，不断增加，并且在一段时间后解码器将停止计算错误路径，只留下真实路径。
接收器维特比解码器计算出的编码器状态图
但这个算法如何保证抗噪性呢？ 假设接收方收到错误的数据，解码器将继续计算错误度量为1的两条路径。错误度量为0的路径将不再存在。 但算法稍后将根据接收到的下一个双位得出哪条路径是正确的结论。
当第二个错误发生时，将存在多条度量为2的路径，但稍后将根据最大似然法（即最小度量）识别出正确的路径。
接收有错误数据时维特比解码器计算出的编码器状态图
在上述情况中，作为示例，我们考虑了 16 位系统 (TC-PAM16) 的算法，该算法确保在一个符号中传输三位有用信息和一位用于错误保护的附加位。 TC-PAM16 的数据速率为 192 至 3840 kbps。 通过将位深度增加到 128（现代系统使用 TC-PAM128），每个符号可传输 5696 位有用信息，最大可实现速度范围为 15,3 kbps 至 XNUMX Mbps。
模拟脉冲调制 (PAM) 的使用使得 SHDSL 类似于许多流行的以太网标准，例如千兆位 1000BASE-T (PAM-5)、10 千兆位 10GBASE-T (PAM-16) 或工业单对以太网 2020BASE -T10L，有望在 1 年实现（PAM-3）。
以太网上的 SHDSL
SHDSL 调制解调器有托管和非托管之分，但这种分类与通常存在的托管和非托管设备（例如以太网交换机）的划分几乎没有共同之处。 区别在于配置和监控工具。 托管调制解调器可通过 Web 界面进行配置，并可通过 SNMP 进行诊断，而非托管调制解调器可通过控制台端口使用附加软件进行诊断（对于 Phoenix Contact，这是免费的 PSI-CONF 程序和迷你 USB 接口）。 与交换机不同，非托管调制解调器可以在环形拓扑网络中运行。
除此之外，托管和非托管调制解调器完全相同，包括功能和按照即插即用原则工作的能力，即无需任何初步配置。
此外，调制解调器还可以配备浪涌保护功能，并能够对其进行诊断。 SHDSL 网络可以形成很长的网段，并且导体可以在可能出现浪涌电压（雷电放电或附近电缆线路短路引起的感应电势差）的地方运行。 感应电压可引起数千安培的放电电流流动。 因此，为了保护设备免受此类现象的影响，SPD 以可拆卸板的形式内置于调制解调器中，必要时可以更换。 SHDSL 线路连接到该板的端子块。
拓扑
使用以太网上的 SHDSL，可以构建任何拓扑的网络：点对点、线型、星型和环型。 同时，根据调制解调器的类型，可以同时使用2线和4线通信线进行连接。
基于SHDSL的以太网网络拓扑
还可以构建具有组合拓扑的分布式系统。 每个SHDSL网段最多可以有50个调制解调器，考虑到技术的物理能力（调制解调器之间的距离为20公里），网段长度可以达到1000公里。
如果托管调制解调器安装在每个此类段的头部，则可以使用 SNMP 诊断该段的完整性。 此外，托管和非托管调制解调器都支持 VLAN 技术，也就是说，它们允许您将网络划分为逻辑子网。 这些设备还能够使用现代自动化系统中使用的数据传输协议（Profinet、以太网/IP、Modbus TCP 等）。
使用 SHDSL 预留通信信道
SHDSL 用于在以太网（最常见的是光纤网络）中创建冗余通信通道。
SHDSL 和串行接口
具有串行接口的 SHDSL 调制解调器克服了基于异步收发器 (UART) 的传统有线系统存在的距离、拓扑和导体质量方面的限制：RS-232 - 15 m、RS-422 和 RS-485 - 1200 m。
有一些带有串行接口 (RS-232/422/485) 的调制解调器可用于通用应用和专用应用（例如，用于 Profibus）。 所有此类设备都属于“非托管”类别，因此它们是使用特殊软件进行配置和诊断的。
拓扑
在具有串行接口的网络中，使用 SHDSL 可以构建点对点、线形和星形拓扑的网络。 在线性拓扑中，最多可以将 255 个节点组合成一个网络（对于 Profibus - 30 个）。
在仅使用 RS-485 设备构建的系统中，所使用的数据传输协议没有限制，但线形和星形拓扑对于 RS-232 和 RS-422 来说是非典型的，因此具有类似拓扑的 SHDSL 网络上的终端设备的操作只能在半双工模式下进行。 同时，在采用 RS-232 和 RS-422 的系统中，必须在协议级别提供设备寻址，这对于点对点网络中最常用的接口来说并不常见。
当通过SHDSL连接具有不同类型接口的设备时，需要考虑到设备之间不存在建立连接（握手）的单一机制。 但是，在这种情况下仍然可以组织交换；为此，必须满足以下条件：
- 通信协调和数据传输控制必须在统一的信息数据传输协议层面进行；
- 所有终端设备必须以半双工模式运行，信息协议也必须支持该模式。
Modbus RTU 协议是异步接口最常见的协议，它允许您避免所有描述的限制并构建具有不同类型接口的单一系统。
基于SHDSL的串行网络拓扑
在设备上使用两线 RS-485 时 您可以通过 DIN 导轨上的一根总线组合调制解调器来构建更复杂的结构。 电源可以安装在同一总线上（在这种情况下，所有设备都通过总线供电）和PSI-MOS系列的光转换器来创建组合网络。 这种系统运行的一个重要条件是所有收发器的速度相同。
RS-485 网络上 SHDSL 的附加功能
应用实例
SHDSL 技术在德国的市政公用事业中得到了积极的应用。 超过 50 家为城市公用事业系统提供服务的公司使用旧铜线通过一个网络连接分布在整个城市的物体。 水、煤气和能源供应的控制和核算系统主要构建在 SHDSL 上。 这些城市包括乌尔姆、马格德堡、因戈尔施塔特、比勒费尔德、奥德河畔法兰克福等。
最大的基于 SHDSL 的系统是在吕贝克市创建的。 系统采用基于光纤以太网和SHDSL的组合结构，连接120个远程对象，使用50多个调制解调器 。 整个网络通过SNMP进行诊断。 从卡尔克霍斯特到吕贝克机场最长的路段长 39 公里。 客户公司选择 SHDSL 的原因是，考虑到旧铜缆的可用性，完全依靠光纤实施该项目在经济上不可行。
通过滑环传输数据
一个有趣的例子是移动物体之间的数据传输，例如在风力涡轮机或大型工业绞线机中进行的数据传输。 类似的系统用于位于设备转子和定子上的控制器之间的信息交换。 在这种情况下，通过滑环的滑动接触用于传输数据。 这样的例子表明，通过 SHDSL 传输数据不需要静态接触。
与其他技术的比较
SHDSL 与 GSM
如果我们将 SHDSL 与基于 GSM (3G/4G) 的数据传输系统进行比较，那么由于无需定期向运营商支付移动网络接入费用，因此无需支付运营成本，这对 DSL 有利。 借助 SHDSL，我们可以不受工业设施移动通信的覆盖范围、质量和可靠性（包括抗电磁干扰性）的影响。 使用 SHDSL 无需配置设备，从而加快了设施的调试速度。 无线网络的特点是数据传输延迟大，并且使用组播流量（Profinet、以太网IP）传输数据困难。
信息安全有利于 SHDSL，因为不需要通过 Internet 传输数据，也不需要为此配置 VPN 连接。
SHDSL 与 Wi-Fi
关于 GSM 的大部分内容也可以应用于工业 Wi-Fi。 低抗噪性、有限的数据传输距离、对区域拓扑的依赖以及数据传输的延迟都对 Wi-Fi 不利。 最重要的缺点是Wi-Fi网络的信息安全，因为任何人都可以访问数据传输介质。 通过 Wi-Fi，已经可以传输 Profinet 或以太网 IP 数据，而这对于 GSM 来说是困难的。
SHDSL 与光学
在绝大多数情况下，光学技术比 SHDSL 具有很大的优势，但在许多应用中，SHDSL 可以让您节省铺设和焊接光缆的时间和金钱，从而减少设施投入运行所需的时间。 SHDSL 不需要特殊的连接器，因为通信电缆只需连接到调制解调器终端即可。 由于光缆的机械特性，其使用在涉及移动物体之间传输信息的应用中受到限制，其中铜导体更为常见。
来源： habr.com