儘管乙太網路已廣泛使用，但基於 DSL 的通訊技術至今仍具有重要意義。到目前為止，DSL 可以在最後一哩網路中找到，用於將用戶設備連接到互聯網提供商網絡，並且最近該技術越來越多地用於本地網路的建設，例如在工業應用中，DSL 充當乙太網路的補充或基於RS-232/422/485的現場網路。歐洲和亞洲已開發國家也積極採用類似的工業解決方案。
DSL 是一系列標準，最初是為透過電話線傳輸數位資料而設計的。從歷史上看，它成為第一個寬頻網路存取技術，取代了 DIAL UP 和 ISDN。目前存在的 DSL 標準種類繁多，是因為許多公司從 80 年代開始就試圖開發和銷售自己的技術。
所有這些發展可以分為兩大類－非對稱（ADSL）和對稱（SDSL）技術。不對稱是指傳入連線的速度與傳出流量的速度不同的情況。對稱意味著接收和傳輸速度相等。
事實上，最知名和最廣泛的非對稱標準是 ADSL（最新版本 - ADSL2+）和 VDSL (VDSL2)，對稱標準 - HDSL（過時的配置文件）和 SHDSL。它們的不同之處在於它們工作在不同的頻率，並在物理通訊線路上使用不同的編碼和調製方法。糾錯方法也不同，導致抗噪音能力不同。因此，每種技術在資料傳輸的速度和距離方面都有其自身的限制，包括取決於導體的類型和品質。
各種DSL標準的限制
在任何 DSL 技術中，資料傳輸速率都會隨著電纜長度的增加而降低。在極端距離下，可以獲得幾百 kb 的速度，但當傳輸資料超過 200-300 m 時，可以獲得最大可能的速度。
在所有技術中，SHDSL 都有一個顯著的優勢，使其能夠在工業應用中使用——高抗雜訊性以及能夠使用任何類型的導體進行資料傳輸。非對稱標準的情況並非如此，通訊品質很大程度上取決於用於資料傳輸的線路品質。特別建議使用雙絞電話線。在這種情況下，更可靠的解決方案是使用光纖纜線來取代ADSL和VDSL。
任何相互隔離的導體對都適用於SHDSL－銅、鋁、鋼等。
SHDSL 資料傳輸速度對距離和導體類型的依賴性
從 SHDSL 給出的資料傳輸速度與距離和導體類型的關係圖可以看出，具有大橫截面的導體可讓您在更遠的距離上傳輸資訊。借助該技術，可以在長達 20 公里的距離內以 15.3 線電纜 2 Mb/s 的最大速度或 30 線電纜 4 Mb/s 的最大速度組織通訊。在實際應用中，可以手動設定傳輸速度，這在強烈電磁幹擾或線路品質較差的情況下是必要的。在這種情況下，要增加傳輸距離，就需要降低SHDSL裝置的速度。若要根據導體的距離和類型準確計算速度，您可以使用免費軟體，例如 .
為什麼SHDSL具有高抗雜訊能力？
SHDSL收發器的工作原理可以用框圖的形式表示，其中從應用的角度區分了特定的和獨立的（不變的）部分。獨立部分由PMD（物理媒體相關）和PMS-TC（實體媒體特定TC層）功能塊組成，而特定部分包括TPS-TC（傳輸協定特定TC層）層和用戶資料介面。
收發器 (STU) 之間的實體連結可以作為單對或多對單對電纜存在。在多個電纜對的情況下，STU 包含與單一 PMS-TC 關聯的多個獨立 PMD。
SHDSL收發器（STU）的功能模型
TPS-TC 模組取決於設備所使用的應用（乙太網路、RS-232/422/485 等）。其任務是將用戶資料轉換為SHDSL格式，並對多路用戶資料進行重複使用/解復用以及時間調整。
在PMS-TC級別，SHDSL幀被形成和同步，以及加擾和解擾。
PMD模組執行資訊編碼/解碼、調變/解調、迴聲消除、通訊線路上的參數協商以及建立收發器之間的連接的功能。正是在PMD 層級執行主要操作，以確保SHDSL 的高抗噪性，包括TCPAM 編碼（具有模擬脈衝調製的網格編碼），這是一種聯合編碼和調製機制，與單獨的編碼和調製機制相比，可提高訊號的頻譜效率。 PMD模組的工作原理也可以用功能圖的形式表示。
PMD 模組框圖
TC-PAM 基於卷積編碼器的使用，該編碼器在 SHDSL 發送器側產生冗餘位元序列。在每個時脈週期，到達編碼器輸入的每個位元在輸出處被分配一個雙位元（dibit）。因此，以相對較少的冗餘為代價，提高了傳輸雜訊抗擾度。使用Trellis調製可以減少所使用的資料傳輸頻寬並簡化硬件，同時保持相同的信噪比。
Trellis 編碼器 (TC-PAM 16) 的工作原理
雙位元由基於輸入位元 x2(tn) 和位元 x1(tn-1)、x1(tn-1) 等的邏輯模 2（異或）加法運算形成。 （總共最多可以有 20 個），它們之前在編碼器輸入處接收並保留儲存在記憶體暫存器中。在編碼器 tn+1 的下一個時鐘週期，位元將在記憶體單元中移位以執行邏輯操作：位元 x1(tn) 將移入記憶體，移位儲存在那裡的整個位元序列。
卷積編碼器演算法
模 2 的加法運算真值表
為了清楚起見，使用卷積編碼器的狀態圖很方便，從中可以看到編碼器在 tn、tn+1 等時刻處於什麼狀態。取決於輸入資料。在這種情況下，編碼器狀態意味著輸入位元x1(tn)和第一個儲存單元中的位元x1(tn-1)的一對值。要建立圖表，您可以使用圖表，在其頂點處存在編碼器的可能狀態，並且從一種狀態到另一種狀態的轉換由對應的輸入位元 x1(tn) 和輸出位元 $inline$y ₀y 表示₁(t ₀)$內聯$。
發送器卷積編碼器的狀態圖與轉換圖
在發射機中，基於接收到的四位（編碼器的兩個輸出位元和兩個資料位元）形成一個符號，每個符號對應於類比脈衝調變器的調變訊號的自身振幅。
16 位元 AIM 的狀態取決於四位元字元的值
在訊號接收器一側，發生相反的過程 - 從編碼器 x0(tn) 所需輸入位元序列的冗餘碼（雙位元 y1y1(tn)）中進行解調和選擇。此操作由維特比解碼器執行。
解碼器演算法是基於計算所有可能的預期編碼器狀態的誤差度量。錯誤度量是指每個可能路徑的接收位元和預期位元之間的差異。如果沒有接收錯誤，則真實路徑錯誤度量將為 0，因為不存在位元發散。對於錯誤路徑，度量將不同於零，不斷增加，並且在一段時間後解碼器將停止計算錯誤路徑，只留下真實路徑。
接收器維特比解碼器計算出的編碼器狀態圖
但這個演算法如何保證抗噪性呢？假設接收方收到錯誤的數據，解碼器將繼續計算錯誤度量為1的兩條路徑。但演算法稍後將根據接收到的下一個雙位得出哪條路徑是正確的結論。
當第二個錯誤發生時，將存在多條度量為2的路徑，但稍後將根據最大似然法（即最小度量）識別出正確的路徑。
接收錯誤資料時維特比解碼器計算出的編碼器狀態圖
在上述情況中，作為範例，我們考慮了 16 位元系統 (TC-PAM16) 的演算法，該演算法確保在一個符號中傳輸三位有用資訊和一位用於錯誤保護的附加位元。 TC-PAM16 的資料速率為 192 至 3840 kbps。透過將位元深度增加到 128（現代系統使用 TC-PAM128），每個符號可傳輸 5696 位元有用信息，最大可實現速度範圍為 15,3 kbps 至 XNUMX Mbps。
類比脈衝調變(PAM) 的使用使得SHDSL 類似於許多流行的乙太網路標準，例如千兆位元1000BASE-T (PAM-5)、10 千兆位元10GBASE-T (PAM-16) 或工業單對乙太網路2020BASE -T10L，預計在 1 年實現（PAM-3）。
乙太網路上的 SHDSL
SHDSL 數據機有託管和非託管之分，但這種分類與通常存在的託管和非託管設備（例如乙太網路交換器）的劃分幾乎沒有共同之處。差別在於配置和監控工具。託管數據機透過 Web 介面進行配置，並可透過 SNMP 進行診斷，而非託管數據機可透過控制台連接埠使用附加軟體進行診斷（對於 Phoenix Contact，這是免費的 PSI-CONF 程式和迷你 USB 介面）。與交換器不同，非託管調變解調器可以在環形拓撲網路中運作。
除此之外，託管和非託管數據機完全相同，包括功能和按照即插即用原則工作的能力，即無需任何初步配置。
此外，數據機還可以配備突波保護功能，並能夠對其進行診斷。 SHDSL網路可以形成很長的網段，並且導體可以通過可能發生浪湧（雷電放電或附近電纜線路短路引起的感應電位差）的地方。感應電壓可造成數千安培的放電電流流動。因此，為了保護設備免受此類現象的影響，SPD 以可拆卸板的形式內建於調變解調器中，必要時可以更換。 SHDSL 線路連接到該板的端子塊。
拓樸結構
使用乙太網路上的 SHDSL，可以建構任何拓樸的網路：點對點、線型、星型和環型。同時，根據數據機的類型，可以同時使用2線和4線通訊線進行連接。
基於SHDSL的乙太網路拓撲
還可以建構具有組合拓撲的分散式系統。每個SHDSL網段最多可以有50個數據機，考慮到技術的物理能力（數據機之間的距離為20公里），網段長度可以達到1000公里。
如果託管數據機安裝在每個此類段的頭部，則可以使用 SNMP 診斷該段的完整性。此外，託管和非託管數據機都支援 VLAN 技術，也就是說，它們允許您將網路劃分為邏輯子網路。這些設備也能夠使用現代自動化系統中使用的資料傳輸協定（Profinet、乙太網路/IP、Modbus TCP 等）。
使用 SHDSL 預留通訊頻道
SHDSL 用於在乙太網路（最常見的是光纖網路）中建立備援通訊通道。
SHDSL 和串行介面
具有串行介面的 SHDSL 數據機克服了基於非同步收發器 (UART) 的傳統有線系統存在的距離、拓撲和導體質量方面的限制：RS-232 - 15 m、RS-422 和 RS-485 - 1200 m。
有一些具有串行介面 (RS-232/422/485) 的數據機可用於通用應用和專用應用（例如，用於 Profibus）。所有此類設備都屬於“非託管”類別，因此它們是使用特殊軟體進行配置和診斷的。
拓樸結構
在具有串行介面的網路中，使用 SHDSL 可以建構點對點、線型和星型拓撲的網路。在線性拓樸中，最多可以將 255 個節點組合成一個網路（適用於 Profibus - 30 個）。
在僅使用RS-485 設備建構的系統中，所使用的資料傳輸協定沒有限制，但線形和星形拓樸對於RS-232 和RS-422 來說是非典型的，因此具有類似拓樸的SHDSL 網路上的終端設備的操作只能在半雙工模式下進行。同時，在採用 RS-232 和 RS-422 的系統中，必須在協定層級提供裝置尋址，這對於點對點網路中最常用的介面來說並不常見。
當透過SHDSL連接具有不同類型介面的設備時，需要考慮到設備之間不存在建立連接（握手）的單一機制。但是，在這種情況下仍然可以組織交換；為此，必須滿足以下條件：
- 通訊協調和資料傳輸控制必須在統一的資訊資料傳輸協定層面進行；
- 所有終端設備必須以半雙工模式運行，資訊協議也必須支援該模式。
Modbus RTU 協定是非同步介面最常見的協議，它允許您避免所有描述的限制並建立具有不同類型介面的單一系統。
基於SHDSL的串列網路拓撲
在設備上使用兩線 RS-485 時 您可以透過 DIN 導軌上的一條匯流排組合調變解調器來建立更複雜的結構。電源可以安裝在同一總線上（在這種情況下，所有設備都透過匯流排供電）和PSI-MOS系列的光轉換器來建立組合網路。這種系統運作的一個重要條件是所有收發器的速度都相同。
RS-485 網路上 SHDSL 的附加功能
應用實例
SHDSL 技術在德國的市政公用事業中得到了積極的應用。超過 50 家為城市公用事業系統提供服務的公司使用舊銅線透過一個網路連接分佈在整個城市的物體。水、煤氣和能源供應的控制和會計系統主要建構在 SHDSL 上。這些城市包括烏爾姆、馬格德堡、因戈爾施塔特、比勒費爾德、奧德河畔法蘭克福等。
最大的基於 SHDSL 的系統是在呂貝克市創建的。系統採用基於光纖乙太網路和SHDSL的組合結構，連接120個遠端對象，使用50多個數據機 。整個網路透過SNMP進行診斷。從卡爾克霍斯特到呂貝克機場最長的路段長 39 公里。客戶公司選擇 SHDSL 的原因是，考慮到舊銅纜的可用性，完全依靠光纖實施該專案在經濟上不可行。
透過滑環傳輸數據
一個有趣的例子是移動物體之間的資料傳輸，例如在風力渦輪機或大型工業絞線機中進行的資料傳輸。類似的系統用於位於設備轉子和定子上的控制器之間的資訊交換。在這種情況下，透過滑環的滑動接觸用於傳輸資料。這樣的例子表明，透過 SHDSL 傳輸資料不需要靜態接觸。
與其他技術的比較
SHDSL 與 GSM
如果我們將 SHDSL 與基於 GSM (3G/4G) 的資料傳輸系統進行比較，那麼由於無需定期向營運商支付行動網路存取費用，因此無需支付營運成本，這對 DSL 有利。借助 SHDSL，我們可以不受工業設施行動通訊的覆蓋範圍、品質和可靠性（包括抗電磁幹擾性）的影響。使用 SHDSL 無需配置設備，從而加快了設施的調試速度。無線網路的特點是資料傳輸延遲大，且使用組播流量（Profinet、乙太網路IP）傳輸資料困難。
資訊安全有利於 SHDSL，因為不需要透過 Internet 傳輸數據，也不需要為此配置 VPN 連線。
SHDSL 與 Wi-Fi
關於 GSM 的大部分內容也可以應用於工業 Wi-Fi。低抗噪性、有限的資料傳輸距離、對區域拓撲的依賴以及資料傳輸的延遲都對 Wi-Fi 不利。最重要的缺點是Wi-Fi網路的資訊安全，因為任何人都可以存取資料傳輸介質。透過 Wi-Fi，已經可以傳輸 Profinet 或乙太網路 IP 數據，而這對 GSM 來說是困難的。
SHDSL 與光學
在絕大多數情況下，光學技術比 SHDSL 具有很大的優勢，但在許多應用中，SHDSL 可以讓您節省鋪設和焊接光纜的時間和金錢，從而減少設施投入運作所需的時間。 SHDSL 不需要特殊的連接器，因為通訊電纜只需連接到數據機終端即可。由於光纜的機械特性，其使用在涉及移動物體之間傳輸訊息的應用中受到限制，其中銅導體更為常見。
來源： www.habr.com