Difference between revisions of "Linear and Time Invariant Systems/Properties of Balanced Copper Pairs"

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|Untermenü=Eigenschaften elektrischer Leitungen
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|Untermenü=Properties of Electrical Cables
|Vorherige Seite=Koaxialkabel
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|Vorherige Seite=Properties_of_Coaxial_Cables
 
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}}
==Zugangsnetz eines Telekommunikationssystems==
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==Access network of a telecommunications system==
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<br>
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In a telecommunications system,&nbsp; a distinction is made between
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[[File:EN_LZI_T_4_3_S2_neu.png| right|frame|Local loop area for ISDN]]
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*the long-distance and regional network,&nbsp; and
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*the&nbsp; &raquo;local loop area&laquo;,
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which are separated from each other by the&nbsp; &raquo;local exchange&laquo;.&nbsp; 
  
[[File:P_ID1806__LZI_T_4_3_S1a_neu.png | right|Teilnehmeranschlussbereich bei ISDN]]
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The graph shows the network infrastructure for&nbsp; [[Examples_of_Communication_Systems/Allgemeine_Beschreibung_von_ISDN|$\text{$\rm ISDN$}$]]&nbsp;  $($&raquo;Integrated Services Digital Network&laquo;$)$.&nbsp; Originally,&nbsp; the entire telephone network was based on copper lines.&nbsp; In the mid-1980s,&nbsp; however,&nbsp; the&nbsp; $($mainly coaxial$)$&nbsp; copper cables were replaced by optical fiber for long-distance traffic,&nbsp; as the steadily growing demand for bandwidth could only be met with optical transmission technology.
Bei einem Telekommunikationssystem unterscheidet man zwischen
 
*dem Fern– und Regionalnetz sowie
 
*dem Teilnehmeranschlussbereich,  
 
  
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*Due to the immensely high installation costs,&nbsp; optical fibers in the local loop area are still not economically viable today&nbsp; $($2009$)$,&nbsp; although plans for&nbsp; &raquo;Fiber–to–the–Building&laquo;&nbsp; $\rm (FttB)$&nbsp; and&nbsp; &raquo;Fiber–to–the–Home&laquo;&nbsp; $\rm (FttH)$&nbsp; have long been in the pipeline.
  
die durch die Ortsvermittlungsstelle voneinander getrennt sind. Die Grafik zeigt die Netzinfrastruktur bei [[Beispiele_von_Nachrichtensystemen/Allgemeine_Beschreibung_von_ISDN|ISDN]]  ''(Integrated Services Digital Network).''
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*Instead,&nbsp; over the past twenty years,&nbsp; the path has been taken to provide sufficient capacity via the conventional access network based on copper lines by developing high-rate transmission systems such as&nbsp; [[Examples_of_Communication_Systems/Allgemeine_Beschreibung_von_DSL|$\text{$\rm DSL$}$]]&nbsp; $($&raquo;Digital Subscriber Line&laquo;$)$.
  
<br><br><br><br><br>
 
Ursprünglich basierte das gesamte Fernsprechnetz auf Kupferleitungen. Mitte der 1980–Jahre wurden aber im Weitverkehr die (vorwiegend koaxialen) Kupferkabel durch Glasfaser ersetzt, da der stetig wachsende Bandbreitebedarf nur mit optischer Übertragungstechnik befriedigt werden konnte.
 
  
Aufgrund der immens hohen Verlegekosten sind Glasfasern im Teilnehmeranschlußbereich bis heute (2009) nicht wirtschaftlich, allerdings gibt es schon lange Planungen zu ''Fiber–to–the–Building'' (FttB) bzw. ''Fiber–to–the–Home'' (FttH). Vielmehr ist man in den letzten 20 Jahren den Weg gegangen, durch die Entwicklung und die Verbesserung hochratiger Übertragungssysteme wie [[Beispiele_von_Nachrichtensystemen/Allgemeine_Beschreibung_von_DSL|DSL]] ''(Digital Subscriber Line)'' über das konventionelle, auf Kupferleitungen basierende Zugangsnetz ausreichend Kapazität bereitzustellen.
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{{GraueBox|TEXT= 
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$\text{Example 1:}$&nbsp;
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In Germany,&nbsp; the so-called&nbsp; &raquo;last mile&raquo; &nbsp; $($&rArr; &nbsp; the local loop area$)$&nbsp; is shorter than four kilometers on average in the country,&nbsp; and in urban areas&nbsp; $90\%$&nbsp; are even shorter than&nbsp; $\text{2.8 km}$.&nbsp;
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[[File:EN_LZI_T_4_3_S1b.png|right|frame| Bundling and twisting of copper wires]]
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The local loop area is usually structured as follows:
  
In Deutschland ist diese so genannte „Last Mile” im Landesdurchschnitt kürzer als 4 Kilometer, in städtischen Gebieten zu 90% sogar kürzer als 2.8 Kilometer. Der  Teilnehmeranschlußbereich setzt sich meist wie folgt zusammen:
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*The&nbsp; &raquo;main cable&laquo;&nbsp; with up to&nbsp; $2000$&nbsp; pairs as a connection between the local exchange and the cable branch,
*das ''Hauptkabel'' mit bis zu 2000 Doppeladern als Verbindung zwischen Ortsvermittlungsstelle und dem Kabelverzweiger,  
 
*das ''Verzweigungskabel'' zwischen Kabel– und Endverzweiger, mit bis zu 300 Doppeladern und deutlich kürzer als ein Hauptkabel (maximal 500 m),
 
*das ''Hausanschlußkabel'' zwischen Endverzweiger und der Netzabschlußdose beim Teilnehmer mit zwei Doppeladern.
 
  
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*the&nbsp; &raquo;branch cable&laquo;&nbsp; between the cable branch and the final branch,&nbsp; with up to&nbsp; $300$&nbsp; pairs and significantly shorter than a main cable&nbsp; $($maximum&nbsp; $\text{500 m)}$,
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*the&nbsp; &raquo;house connection cable&laquo;&nbsp; between the terminal box and the network termination box at the subscriber with two pairs of wires.
  
Zur Verminderung des Nebensprechens auf benachbarte Leitungspaare durch induktive und kapazitive Kopplungen und zur Erhöhung der Packungsdichte werden jeweils zwei Doppeladern zu einem so genannten Sternvierer verseilt. Die untere Grafik zeigt einen solchen Sternvierer und ein Bündelkabel. Hier werden je fünf solcher Vierer zu einem Grundbündel und je 5 Grundbündel zu einem Hauptbündel zusammengefasst. Dieses beinhaltet somit 50 Doppeladern mit PE–Isolierung ''(PE:'' Polyethylen).
 
  
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To reduce crosstalk on neighboring line pairs due to inductive and capacitive couplings and to increase the packing density,&nbsp; two double wires are twisted into a so-called&nbsp; &raquo;star quad&raquo;.&nbsp;
  
[[File:P_ID1807__LZI_T_4_3_S1b_neu.png | Bündelung und Verdrillung von Kupferadern]]
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The diagram below shows such a star quad and a bundled cable.
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*Here,&nbsp; five such quads each are combined to form a basic bundle,&nbsp; and five basic bundles each are combined to form a main bundle.
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*This thus contains&nbsp; $50$&nbsp; twin pairs with polyethylene&nbsp; $\rm (PE)$&nbsp; insulation. }}
  
==Dämpfungsmaß von Zweidrahtleitungen==
 
Das Dämpfungsmaß $α(f)$ und der Wellenwiderstand $Z_{\rm W}(f)$ von Doppeladern in realen verlegten Kabeln weichen mehr oder weniger stark von der in [[Lineare_zeitinvariante_Systeme/Einige_Ergebnisse_der_Leitungstheorie|Einige Ergebnisse derLeitungstheorie]]  dargelegten Theorie ab. Gründe hierfür sind:
 
*Nichtberücksichtigung komplexer Vorgänge der Wirbelstrombildung und der Stromverdrängung, und
 
*Inhomogenitäten im Kabelaufbau bei gespleißten Kabelabschnitten.
 
  
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==Attenuation function of two-wire lines==
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<br>
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The attenuation function &nbsp;$α(f)$&nbsp; $($per unit length$)$&nbsp;  and the wave impedance &nbsp;$Z_{\rm W}(f)$&nbsp; of twisted pairs in real laid cables deviate to a greater or lesser extent from the theory presented in the chapter &nbsp; [[Linear_and_Time_Invariant_Systems/Some_Results_from_Line_Transmission_Theory|&raquo;Some Results from Line Transmission Theory&laquo;]].&nbsp; Reasons for this are:
 +
[[File:P_ID1955__Bei_T_2_4_S1b_v1.png |frame| Attenuation function of two-wire lines of different diameters]]
  
Verschiedene Netzbetreiber haben $α(f)$ und $Z_{\rm W}(f)$ gemessen und daraus empirische Gleichungen abgeleitet. Wir beziehen uns hier auf die in [PW95]<ref name="PW95">Neubaueri, AW.: ''Informationstheorie und Quellencodierung.'' J. Schlembach Fachverlag, 2006.</ref> dokumentierten Arbeiten von M. Pollakowski und H.W. Wellhausen vom Fernmeldetechnischen Zentralamt der Deutschen Bundespost in Darmstadt. Diese ermittelten für unterschiedliche Leitungsdurchmesser $d$ unter anderem das empirische Dämpfungsmaß aus 40 Messungen im Frequenzbereich bis 30 MHz entsprechend der Gleichung
+
#non-consideration of complex processes of eddy current formation and current displacement,
 +
#inhomogeneities in cable structure in spliced cable sections.  
  
[[File:P_ID1809__LZI_T_4_3_S2_93.png | Dämpfungsmaß von Zweidrahtleitungen unterschiedlicher Durchmesser | rechts]]
 
$$\alpha (f) = k_1 + k_2  \cdot (f/{\rm MHz})^{k_3} \hspace{0.05cm}.$$
 
  
Die Grafik zeigt die Messergebnisse:
+
Various network operators have measured &nbsp;$α(f)$&nbsp; and &nbsp;$Z_{\rm W}(f)$&nbsp; and derived empirical equations from them. &nbsp; We refer here to the work of M. Pollakowski and H.W. Wellhausen of the Fernmeldetechnisches Zentralamt der Deutschen Bundespost in Darmstadt documented in&nbsp; [PW95]<ref name="PW95">Pollakowski, P.; Wellhausen, H.-W.: Eigenschaften symmetrischer Ortsanschlusskabel im
* $d =$ 0.35 mm: $k_1 =$ 7.9 dB/km, $k_2 =$ 15.1 dB/km, $k_3 =$ 0.62,
+
Frequenzbereich bis 30 MHz. Deutsche Telekom AG, Forschungs- und Technologiezentrum
* $d =$ 0.40 mm: $k_1 =$ 5.1 dB/km, $k_2 =$ 14.3 dB/km, $k_3 =$ 0.59,
+
Darmstadt, 1995.</ref>.  
* $d =$ 0.50 mm: $k_1 =$ 4.4 dB/km, $k_2 =$ 10.8 dB/km, $k_3 =$ 0.60,  
 
* $d =$ 0.60 mm: $k_1 =$ 3.8 dB/km, $k_2 =$  9.2 dB/km, $k_3 =$ 0.61.
 
  
Man erkennt aus dieser Darstellung:
+
They determined for different line diameters &nbsp;$d$&nbsp; among other things the empirical attenuation function from forty measurements each in the frequency range up to &nbsp;$\text{30 MHz}$&nbsp; according to the equation
*Das Dämpfungsmaß $α(f)$ sowie die Dämpfungsfunktion $a_{\rm K}(f) = α(f) · l$ hängt signifikant vom Leitungsdurchmesser ab. Die seit 1994 verlegten Kabel  mit Leitungsdurchmessern von 0.35 mm und 0.5 mm haben etwa ein um 10% größeres Dämpfungsmaß als die älteren Leitungen 0.4 mm und 0.6 mm.
+
:$$\alpha (f) = k_1 + k_2  \cdot (f/{\rm MHz})^{k_3} \hspace{0.05cm}.$$
*Dieser mit den Herstellungs– und Verlegungskosten begründete kleinere Leitungsdurchmesser $d$ vermindert allerdings die Reichweite der auf diesen Leitungen eingesetzten Übertragungssysteme signifikant, so dass im schlimmsten Fall teuere Zwischengeneratoren eingesetzt werden müssen, um die Kunden mit hochratigen Diensten versorgen zu können.
 
*Die heute üblichen Übertragungsverfahren für Kupferleitungen belegen allerdings nur ein relativ schmales Frequenzband, zum Beispiel sind dies bei [[Beispiele_von_Nachrichtensystemen/Allgemeine_Beschreibung_von_ISDN|ISDN]] 120 kHz und bei [[Beispiele_von_Nachrichtensystemen/Allgemeine_Beschreibung_von_DSL|DSL] ca. 1100 kHz. Für $f = 1 \ \rm MHz$ beträgt das Dämpfungsmaß für ein 0.4 mm–Kabel etwa $20 \ \rm dB/km$, so dass selbst bei einer Kabellänge von $4 \ \rm km$ der Dämpfungswert nicht über $80 \ \rm dB$ liegt.  
 
*Eine Ausnahme bildet [[Beispiele_von_Nachrichtensystemen/Allgemeine_Beschreibung_von_DSL#Europ.C3.A4ische_ADSL-_und_VDSL-Entwicklung|VDSL]], das zum Beispiel die Deutsche Telekom in allen größeren Städten anbietet. Hier geht der Frequenzbereich bis $30 \ \rm MHz$. Deshalb wurden hierfür Glasfaserverbindungen bis zum Kabelverzweiger verlegt, um die noch mit Kupfer zu überbrückende Länge klein zu halten. Man spricht dann von ''Fibre–to–the–Cabinet'' (FttC).
 
  
==Umrechnung zwischen $k$– und $α$– Parametern==
+
The graph shows the measurement results:
Zur Berechnung des Frequenzgangs $H_{\rm K}(f)$ sollte man stets vom gemessenen Dämpfungsmaß
+
* $d = 0.35 \ {\rm mm}$: &nbsp;  $k_1 = 7.9 \ {\rm dB/km}, \hspace{0.2cm}k_2 = 15.1 \ {\rm dB/km}, \hspace{0.2cm}k_3 = 0.62$,
$$\alpha (f) = k_1 + k_2  \cdot (f/f_0)^{k_3}= \alpha_{\rm I} (f) \hspace{0.05cm}, \hspace{0.2cm}{\rm mit} \hspace{0.15cm} f_0 = 1\,{\rm MHz}$$
+
* $d = 0.40 \ {\rm mm}$: &nbsp;  $k_1 = 5.1 \ {\rm dB/km}, \hspace{0.2cm}k_2 = 14.3 \ {\rm dB/km}, \hspace{0.2cm}k_3 = 0.59$,
ausgehen. Will man dagegen die dazugehörige Zeitfunktion in Form der Impulsantwort $h_{\rm K}(t)$ ermitteln, so ist es günstiger (siehe übernächsten Abschnitt), wenn das Dämpfungsmaß in der Form
+
* $d = 0.50 \ {\rm mm}$: &nbsp;  $k_1 = 4.4 \ {\rm dB/km}, \hspace{0.2cm}k_2 = 10.8 \ {\rm dB/km}, \hspace{0.2cm}k_3 = 0.60$,
$$\alpha(f)  = \alpha_0 + \alpha_1 \cdot f + \alpha_2 \cdot \sqrt {f}= \alpha_{\rm II} (f)$$
+
* $d = 0.60 \ {\rm mm}$: &nbsp; $k_1 = 3.8 \ {\rm dB/km}, \hspace{0.2cm}k_2 = \hspace{0.25cm}9.2 \ {\rm dB/km}, \hspace{0.2cm}k_3 = 0.61$.
dargestellt werden kann, wie es auch für die Koaxialkabel üblich ist.  
 
  
  
Als Kriterium dieser Umrechnung gehen wir davon aus, dass die quadratische Abweichung dieser beiden Funktionen im Bereich von $f =$ 0 bis $f = B$ minimal ist:
+
One can see from this representation:
$$\int\limits_{0}^{B} \left [ \alpha_{\rm I} (f) - \alpha_{\rm II} (f)\right ]^2 \hspace{0.1cm}{\rm  d}f \hspace{0.3cm}\Rightarrow \hspace{0.3cm}{\rm Minimum} \hspace{0.05cm} .$$
+
#The attenuation function per unit length &nbsp; &rArr; &nbsp; $α(f)$&nbsp; and the attenuation function &nbsp; &rArr; &nbsp;${\rm a}_{\rm K}(f) = α(f) · l$&nbsp; depend significantly on the cable diameter.&nbsp; The cables laid since 1994 with &nbsp;$d = 0.35 \ \rm (mm)$&nbsp; and &nbsp;$d = 0.5$&nbsp; have about &nbsp;$10\%$&nbsp; larger attenuation than the older cables with &nbsp;$d = 0.4$&nbsp; and &nbsp;$d= 0.6$.
Es ist offensichtlich, dass $α_0 = k_1$ gelten wird. Die Parameter $α_1$ und $α_2$ sind von der zugrundegelegten Bandbreite $B$ abhängig. Sie lauten entsprechend [[Aufgaben:4.6_k-_und_alpha-Parameter|Aufgabe A4.6]]:
+
#However,&nbsp; this smaller diameter,&nbsp; justified by the manufacturing and laying costs,&nbsp; significantly reduces the range &nbsp;$l_{\rm max}$&nbsp; of the transmission systems used on these lines,&nbsp; so that in the worst case expensive&nbsp; &raquo;intermediate regenerators&laquo;&nbsp; have to be used.
$$\begin{align*}\alpha_1 & = 15 \cdot (B/f_0)^{k_3 -1}\cdot \frac{k_3 -0.5}{(k_3 + 1.5)(k_3 + 2)}\cdot \frac {k_2}{ {f_0} }\hspace{0.05cm} ,\\ \alpha_2 & = 10 \cdot (B/f_0)^{k_3 -0.5}\cdot \frac{1-k_3}{(k_3 + 1.5)(k_3 + 2)}\cdot \frac {k_2}{\sqrt{f_0} }\hspace{0.05cm} .\end{align*}$$
+
#However,&nbsp; the transmission methods commonly used today for copper lines,&nbsp; occupy only a relatively narrow frequency band,&nbsp; e.g. &nbsp; $120\ \rm kHz$&nbsp; for&nbsp; [[Examples_of_Communication_Systems/Allgemeine_Beschreibung_von_ISDN|$\text{$\rm ISDN$}$]]&nbsp; $($&raquo;Integrated Services Digital Network&laquo;$)$ &nbsp;and about&nbsp; $1100 \ \rm kHz$&nbsp; for [[Examples_of_Communication_Systems/Allgemeine_Beschreibung_von_DSL|$\text{$\rm DSL$}$]]&nbsp; $($&raquo;Digital Subscriber Line&laquo;$)$.&nbsp;
Für $k_3 =$ 1 (frequenzproportionales Dämpfungsmaß) ergeben sich folgerichtig
+
#For &nbsp;$f = 1 \ \rm MHz$,&nbsp; the attenuation function per unit length for a &nbsp;$0.4 \ \rm mm$&nbsp; cable is about &nbsp;$20 \ \rm dB/km$,&nbsp; so that even with a cable length of &nbsp;$l = 4 \ \rm km$&nbsp; the attenuation value with these systems does not exceed &nbsp;$80 \ \rm dB$.
$$\alpha_1 =  {k_2}/{ {f_0} }\hspace{0.05cm} ,\hspace{0.2cm} \alpha_2 = 0\hspace{0.05cm} ,$$
+
#One exception is &nbsp;[[Examples_of_Communication_Systems/xDSL_Systems#VDSL_.E2.80.93_Very.E2.80.93high.E2.80.93speed_Digital_Subscriber_Line|$\text{$\rm VDSL$}$]]&nbsp; $($&raquo;Very High Data Rate Digital Subscriber Line&laquo;$)$,&nbsp; which is offered in Germany by Deutsche Telekom in larger cities.&nbsp; Here,&nbsp; the frequency range goes up to &nbsp;$30 \ \rm MHz$.&nbsp;
während man für $k_3 =$ 0.5 die folgenden Koeffizienten erhält:
+
#For this reason,&nbsp; fiber optic connections were laid right up to the cable branch in order to keep the length short that still has to be bridged with copper.&nbsp; This is known as&nbsp; &raquo;Fibre–to–the–Cabinet&laquo;&nbsp; $\rm (FttC)$.
$$\alpha_1 = 0\hspace{0.05cm} ,\hspace{0.2cm} \alpha_2 = {k_2}/{\sqrt{f_0}}\hspace{0.05cm}.$$
 
  
In diesem Fall würde das Dämpfungsmaß $α(f)$ mit der Wurzel aus der Frequenz ansteigen. Es ergäbe sich also der gleiche Verlauf wie bei einem Koaxialkabel entsprechend dem Skineffekt.  
+
==Conversion between&nbsp;  $k$&nbsp; and&nbsp; $\alpha$&nbsp; parameters==
 +
To calculate the frequency response &nbsp;$H_{\rm K}(f)$,&nbsp; one should always start from the measured attenuation function per unit length:
 +
:$$\alpha (f) = k_1 + k_2  \cdot (f/f_0)^{k_3}= \alpha_{\rm I} (f) \hspace{0.05cm}, \hspace{0.2cm}{\rm with} \hspace{0.15cm} f_0 = 1\,{\rm MHz}.$$
 +
*If,&nbsp; on the other hand,&nbsp; one wishes to determine the associated time function in terms of the impulse response &nbsp;$h_{\rm K}(t)$,&nbsp; it is more convenient as shown in the&nbsp; [[Linear_and_Time_Invariant_Systems/Properties_of_Balanced_Copper_Pairs#Interpretation_and_manipulation_of_the_individual_impulse_responses|&raquo;section after the next&laquo;]],&nbsp; if the attenuation function per unit length can be represented in the form that is also common for coaxial cables:
 +
:$$\alpha(f)  = \alpha_0 + \alpha_1 \cdot f +  \alpha_2 \cdot \sqrt {f}= \alpha_{\rm II} (f).$$
  
 +
*As a criterion of this conversion we use that the squared deviation between both functions is minimal in the range from &nbsp;$f = 0$&nbsp;  to &nbsp;$f = B$&nbsp;:
 +
:$$\int_{0}^{B} \left [ \alpha_{\rm I} (f) - \alpha_{\rm II} (f)\right ]^2 \hspace{0.1cm}{\rm  d}f \hspace{0.3cm}\Rightarrow \hspace{0.3cm}{\rm Minimum} \hspace{0.05cm} .$$
 +
*It is obvious that &nbsp;$α_0 = k_1$&nbsp; will hold.&nbsp; The parameters &nbsp;$α_1$&nbsp; and &nbsp;$α_2$&nbsp; depend on the desired bandwidth&nbsp; $B$.&nbsp; According to&nbsp; [[Aufgaben:Exercise_4.6:_k-parameters_and_alpha-parameters|$\text{Exercise 4.6}$]],&nbsp; they are:
 +
:$$\begin{align*}\alpha_1 & = 15 \cdot (B/f_0)^{k_3 -1}\cdot \frac{k_3 -0.5}{(k_3 + 1.5)(k_3 + 2)}\cdot \frac {k_2}{ {f_0} }\hspace{0.05cm} ,\\ \alpha_2 & = 10 \cdot (B/f_0)^{k_3 -0.5}\cdot \frac{1-k_3}{(k_3 + 1.5)(k_3 + 2)}\cdot \frac {k_2}{\sqrt{f_0} }\hspace{0.05cm} .\end{align*}$$
  
Nachfolgend wird an drei Beispielen verdeutlicht, wie die zugrundeliegende Bandbreite $B$ die Ergebnisse dieser Umrechnung beeinflussen.
+
{{BlaueBox|TEXT=
 +
$(1)$&nbsp; For &nbsp;$k_3 = 1$&nbsp; $($frequency-proportional attenuation function per unit length$)$,&nbsp; the $\alpha$–parameters logically result in
 +
:$$\alpha_1 =  {k_2}/{ {f_0} }\hspace{0.05cm} ,\hspace{0.2cm} \alpha_2 = 0\hspace{0.05cm} ,$$
 +
$(2)$&nbsp; For &nbsp;$k_3 = 0.5$&nbsp; the following coefficients are obtained:
 +
:$$\alpha_1 = 0\hspace{0.05cm} ,\hspace{0.2cm} \alpha_2 = {k_2}/{\sqrt{f_0} }\hspace{0.05cm}.$$
  
 +
:In this case,  &nbsp;$α(f)$&nbsp; increases with the square root of the frequency.&nbsp; This results in the same curve as for a coaxial cable,&nbsp; where the well-known skin effect dominates.}}
  
Bei allen nachfolgenden Grafiken gehen wir von der Leitungslänge $l =$ 1 km und vom Durchmesser 0.4 mm aus $⇒ k_1 =$ 5.1 dB/km, $k_2 =$ 14.3 dB/km, $k_3 =$ 0.59. Für diesen Fall zeigt die folgende Grafik die mit $α_0, α_1$ und $α_2$ approximierte Dämpfung (blaue Kurve) im Vergleich zum tatsächlichen Verlauf gemäß $k_1, k_2, k_3$ (rote Kurve). Die drei Diagramme gelten für die Bandbreiten $B =$ 10 MHz, $B =$ 20 MHz und $B =$ 30 MHz. Die ermittelten Koeffizienten $α_1$ und $α_2$ sind angegeben. Stets gilt $α_0 = k_1 =$ 5.1 dB/km.
 
  
 +
In the following,&nbsp; three examples will illustrate how the underlying bandwidth &nbsp;$B$&nbsp; influences the results of this conversion.
  
[[File:P_ID1810__LZI_T_4_3_S3_v2.png | Approximation der k– durch α–Parameter]]
+
{{GraueBox|TEXT= 
 +
$\text{Example 2:}$&nbsp;
 +
For this graph we assume the line length &nbsp;$l = 1 \ \rm km$&nbsp; and the diameter &nbsp;$d = 0.4 \ \rm  mm$,&nbsp; so that the following applies:
  
 +
:$$k_1 = 5.1 \ \rm  dB/km, \ k_2 = 14.3 \ \rm  dB/km, \ k_3 = \ 0.59.$$
 +
For this case the following graph shows
 +
*the attenuation&nbsp; ${\rm a_K}(f)$&nbsp;  approximated by &nbsp;$α_0,&nbsp; α_1$,&nbsp; $α_2$&nbsp; $($blue curve$)$
 +
*compared to the &nbsp; ${\rm a_K}(f)$&nbsp; curve according to &nbsp;$k_1,&nbsp; k_2,&nbsp; k_3$&nbsp; $($red curve$)$.
  
Man erkennt aus diesen Darstellungen:  
+
:[[File:EN_LZI_T_4_3_S3_v2.png|right|frame| Approximation of&nbsp; $k$–parameters&nbsp; by&nbsp; $\alpha$–parameters]]
*Selbst beim größten Approximationsbereich $(B =$ 30 MHz) nähert die blaue Kurve (mit $α_0, α_1, α_2$) den gemessenen Verlauf (rote Kurve, beschrieben durch $k_1, k_2, k_3$) sehr gut an.
+
The three diagrams are valid for the bandwidths &nbsp;$B = 10 \ \rm  MHz$, &nbsp;$B = 20  \ \rm MHz$&nbsp; and &nbsp;$B = \ \rm 30 \ MHz$.  
*Bei kleinerer Bandbreite $(B =$ 20 MHz bzw. 10 MHz) ist die Approximation im Bereich 0 $≤ f ≤ B$ noch besser, doch kommt es dann für $f > B$ zu Verfälschungen.
+
*The determined coefficients &nbsp;$α_1$&nbsp; and &nbsp;$α_2$&nbsp; are indicated.
*Der Dämpfungswert $a_{\rm K}(f =$ 30 MHz) ≈ 112.2 dB setzt sich bei der betrachteten Zweidrahtleitung $(l =$ 1 km, $d =$ 0.4 mm) folgendermaßen zusammen: 4.5% geht auf den Gleichsignalkoeffizienten $α_0$ zurück, 23.5% auf den frequenzproportioanlen Anteil $α_1$ und 72% auf den Koeffizienten $α_2$.
 
*Das Normalkoaxialkabel 2.6/9.5 mm weist im Vergleich dazu erst bei einer Länge von $l =$ 8.7 km eine vergleichbare Dämpfung $a_{\rm K}(f =$ 30 MHz) ≈ 112 dB auf, wobei $α_0$ nur für 0.1% und $α_1$ nur für ca. 1% verantwortlich ist, während der Großteil der Dämpfung vom Skineffekt $(α_2)$ herrührt.
 
  
==Impulsantworten von Zweidrahtleitungen==
+
*&nbsp;$α_0 = k_1 = 5.1 \ \rm  dB/km$&nbsp; is always valid.
Mit dieser Koeffizientenumrechnung $k_1, k_2, k_3  ⇒  α_0, α_1, α_2$ kann nun für den gesamten Frequenzgang einer Zweidrahtleitung geschrieben werden:
 
$$H_{\rm K}(f)  = H_{\alpha 0}(f) \cdot H_{\alpha 1}(f) \cdot H_{\beta 1}(f)\cdot H_{\alpha 2}(f) \cdot H_{\beta 2}(f) \hspace{0.05cm}.$$
 
  
Hierbei wurden folgende Abkürzungen verwendet:
 
$$\begin{align*} H_{\alpha 0}(f) & = {\rm e}^{-\alpha_0 \hspace{0.05cm} \cdot \hspace{0.05cm} l}= {\rm e}^{-{\rm a}_0}\hspace{0.05cm},\hspace{0.2cm} {\rm a}_0= \alpha_0\hspace{0.15cm}{\rm (in \hspace{0.15cm}Np)  }\cdot l,\\ H_{\alpha 1}(f) & = {\rm e}^{-\alpha_1 \cdot f \hspace{0.05cm} \cdot  \hspace{0.05cm}l}= {\rm  e}^{-{\rm a}_1 \cdot 2f/R}\hspace{0.05cm},\hspace{0.2cm} {\rm a}_1 = \alpha_1\hspace{0.15cm}{\rm (in \hspace{0.15cm}Np)  }\cdot l \cdot {R}/{2} \hspace{0.05cm},
 
\\ H_{\beta 1}(f) & = {\rm e}^{-{\rm j} \hspace{0.05cm} \cdot \hspace{0.05cm} \beta_1 \cdot f \hspace{0.05cm} \cdot  \hspace{0.05cm}l} = {\rm e}^{-{\rm j} \hspace{0.05cm} \cdot \hspace{0.05cm} 2 \pi \cdot f \hspace{0.05cm} \cdot  \hspace{0.05cm}\tau_{\rm P}}  \hspace{0.05cm},\hspace{0.2cm} \tau_{\rm P} = \frac{\beta_1\hspace{0.15cm}{\rm (in \hspace{0.15cm}rad)  }\cdot l }{2 \pi} \hspace{0.05cm},
 
\\ H_{\alpha 2}(f) & = {\rm e}^{-\alpha_2 \hspace{0.05cm}\cdot \hspace{0.05cm}\sqrt{f} \hspace{0.05cm} \cdot  \hspace{0.05cm}l}= {\rm  e}^{-{\rm a}_2 \hspace{0.05cm}\cdot \hspace{0.05cm}\sqrt{2f/R}}\hspace{0.05cm},\hspace{0.2cm} {\rm a}_2 = \alpha_2\hspace{0.15cm}{\rm (in \hspace{0.15cm}Np)  }\cdot l \cdot \sqrt{R/2} \hspace{0.05cm},
 
\\ H_{\beta 2}(f) & = {\rm e}^{-{\rm j} \hspace{0.05cm} \cdot \hspace{0.05cm}\beta_2 \hspace{0.05cm} \cdot \hspace{0.05cm}\sqrt{f} \hspace{0.05cm} \cdot \hspace{0.05cm}l}= {\rm  e}^{-{\rm j} \hspace{0.05cm} \cdot \hspace{0.05cm} b_2 \hspace{0.05cm}\cdot \hspace{0.05cm}\sqrt{2f/R}}\hspace{0.05cm},\hspace{0.2cm} b_2 = \beta_2\hspace{0.15cm}{\rm (in \hspace{0.15cm}rad)  }\cdot l \cdot \sqrt{R/2} \hspace{0.05cm} \end{align*}$$
 
  
Auf die Bedeutung der hier implizit definierten Größen wird etwas später eingegangen.  
+
One recognizes from these representations:
 +
#Even with the largest approximation range &nbsp;$(B = 30 \ \rm MHz)$,&nbsp; the blue curve &nbsp;$($with&nbsp; $α_0, \ α_1, \ α_2)$&nbsp; approximates the red curve&nbsp; $($described by &nbsp;$k_1, \ k_2, \ k_3)$&nbsp; very well.  
 +
#For smaller bandwidth &nbsp;$(B = 20 \ \rm MHz$&nbsp;  or &nbsp;$B = 10 \ \rm MHz)$&nbsp; the approximation in the range &nbsp;$0≤ f ≤ B$&nbsp; is even better,&nbsp; but now distortions occur for &nbsp;$f > B$&nbsp;.
 +
#The attenuation value &nbsp;$a_{\rm K}(f = 30 \ \rm MHz) ≈ 112.2 \ \rm dB$&nbsp; is composed as follows for the considered two-wire cable: <br> &nbsp; &nbsp; $4.5\%$&nbsp; is due to the coefficient &nbsp;$α_0$&nbsp; $($ohmic losses$)$, <br>&nbsp; &nbsp; $23.5\%$&nbsp; to the&nbsp; $f$&ndash;proportional component &nbsp;$α_1$&nbsp; and <br>&nbsp; &nbsp; $72\%$&nbsp; to the coefficient &nbsp;$α_2$.
 +
#In comparison, the standard coaxial cable&nbsp; $\text{2.6/9.5 mm}$&nbsp; exhibits comparable attenuation &nbsp;$(≈ 112 \ \rm dB)$&nbsp; only at a length of &nbsp;$l = 8.7 \ \rm km$,&nbsp;  with most of the attenuation&nbsp; $(98.9\%)$&nbsp; coming from the skin effect &nbsp;$(α_2)$.}}
  
  
Wir gehen hier zunächst ganz formal vor. Nach dem Faltungssatz gilt für die resultierende Impulsantwort als die Fourierrücktransformierte von $H_{\rm K}(f)$:
+
{{BlaueBox|TEXT=
$$h_{\rm K}(t)  = h_{\alpha 0}(t) \star h_{\alpha 1}(t) \star h_{\beta 1}(t)\star h_{\alpha 2}(t) \star h_{\beta 2}(t) \hspace{0.05cm},$$
+
In the opposite direction &nbsp;$(α_1, \ α_2  ⇒  k_2, \ k_3)$&nbsp; the conversion rule for the exponent is:
$$h_{\alpha 0}(t) \quad \circ\!\!-\!\!\!\!\!\!-\!\!\bullet\quad H_{\alpha 0}(f) \hspace{0.05cm},\hspace{0.2cm} h_{\alpha 1}(t) \circ\!\!-\!\!\!\!\!\!-\!\!\bullet\quad H_{\alpha 1}(f) \hspace{0.05cm},\hspace{0.2cm} {\rm usw.}$$
 
  
Diese fünf Anteile sollen nun separat betrachtet werden, wobei sich die numerischen Ergebnisse auf ein digitales Übertragungssystem mit der Bitrate $R =$ 30 Mbit/s und eine Zweidrahtleitung 0.4 mm der Länge $l =$ 1 km beziehen. Damit lauten die $α$–Koeffizienten in Neper:
+
:$$k_3 = \frac{H + 0.5} {H +1}, \hspace{0.4cm}\text{with auxiliary:  }H = \frac{2} {3} \cdot \frac{\alpha_1 \cdot \sqrt{f_0} }{\alpha_2} \cdot \sqrt{B/f_0}.$$
$$\alpha_0  = 0.59\, \frac{ {\rm Np} }{ {\rm km} } \hspace{0.05cm}, \hspace{0.2cm} \alpha_1  = 0.10\, \frac{ {\rm Np} }{ {\rm km \cdot MHz} }\hspace{0.05cm}, \hspace{0.2cm} \alpha_2  = 1.69\, \frac{ {\rm Np} }{ {\rm km \cdot MHz^{0.5} } } \hspace{0.05cm}.$$
 
  
Das Phasenmaß dieser Leitung ist ebenfalls in [PW95] angegeben:
+
With this result, &nbsp;$k_2$&nbsp; can be calculated using either of the two equations given above.}}  
$$b_{\rm K}(f)  =  \beta_1 \cdot f +  \beta_2 \cdot \sqrt {f}\hspace{0.05cm}, \hspace{0.2cm} \beta_1  = 32.9\, \frac{ {\rm rad} }{ {\rm km \cdot MHz} }\hspace{0.05cm}, \hspace{0.2cm} \beta_2  = 2.26\, \frac{ {\rm rad} }{ {\rm km \cdot MHz^{0.5} } }\hspace{0.05cm}.$$
 
Als Normierungsgröße der Zeit eignet sich die Symboldauer $T = 1/R ≈$ 33 ns.
 
  
  
Nun sollen die fünf Impulsantwort–Anteile $h_{α0}(t), h_{α1}(t), h_{α2}(t), h_{β1}(t)$ und $h_{β2}(t)$ interpretiert werden:
+
==Impulse response of a two-wire line==
 +
<br>
 +
With this coefficient conversion &nbsp;$(k_1, \ k_2, \ k_3) \ \ ⇒ \ \ (α_0, \ α_1, \ α_2)$&nbsp; we can now write for the&nbsp; &raquo;total frequency response&laquo;&nbsp; of a two-wire line:
 +
:$$H_{\rm K}(f)  = H_{\alpha 0}(f) \cdot H_{\alpha 1}(f) \cdot H_{\beta 1}(f)\cdot H_{\alpha 2}(f) \cdot H_{\beta 2}(f) \hspace{0.05cm}.$$
  
 +
Here,&nbsp; the following abbreviations are used:
 +
:$$\begin{align*} H_{\alpha 0}(f) & = {\rm e}^{-\alpha_0 \hspace{0.05cm} \cdot \hspace{0.05cm} l}= {\rm e}^{-{\rm a}_0}\hspace{0.05cm},\hspace{0.2cm} {\rm a}_0= \alpha_0\hspace{0.15cm}{\rm (in \hspace{0.15cm}Np)  }\cdot l,\\ H_{\alpha 1}(f) & = {\rm e}^{-\alpha_1 \cdot f \hspace{0.05cm} \cdot  \hspace{0.05cm}l}= {\rm  e}^{-{\rm a}_1 \cdot 2f/R}\hspace{0.05cm},\hspace{0.2cm} {\rm a}_1 = \alpha_1\hspace{0.15cm}{\rm (in \hspace{0.15cm}Np)  }\cdot l \cdot {R}/{2} \hspace{0.05cm},
 +
\\ H_{\beta 1}(f) & = {\rm e}^{-{\rm j} \hspace{0.05cm} \cdot \hspace{0.05cm} \beta_1 \cdot f \hspace{0.05cm} \cdot  \hspace{0.05cm}l} = {\rm e}^{-{\rm j} \hspace{0.05cm} \cdot \hspace{0.05cm} 2 \pi \cdot f \hspace{0.05cm} \cdot  \hspace{0.05cm}\tau_{\rm P}}  \hspace{0.05cm},\hspace{0.2cm} \tau_{\rm P} = {\beta_1\hspace{0.15cm}{\rm (in \hspace{0.15cm}rad)  }\cdot l }/({2 \pi}) \hspace{0.05cm},
 +
\\ H_{\alpha 2}(f) & = {\rm e}^{-\alpha_2 \hspace{0.05cm}\cdot \hspace{0.05cm}\sqrt{f} \hspace{0.05cm} \cdot  \hspace{0.05cm}l}= {\rm  e}^{-{\rm a}_2 \hspace{0.05cm}\cdot \hspace{0.05cm}\sqrt{2f/R}}\hspace{0.05cm},\hspace{0.2cm} {\rm a}_2 = \alpha_2\hspace{0.15cm}{\rm (in \hspace{0.15cm}Np)  }\cdot l \cdot \sqrt{R/2} \hspace{0.05cm},
 +
\\ H_{\beta 2}(f) & = {\rm e}^{-{\rm j} \hspace{0.05cm} \cdot \hspace{0.05cm}\beta_2 \hspace{0.05cm} \cdot \hspace{0.05cm}\sqrt{f} \hspace{0.05cm} \cdot \hspace{0.05cm}l}= {\rm  e}^{-{\rm j} \hspace{0.05cm} \cdot \hspace{0.05cm} b_2 \hspace{0.05cm}\cdot \hspace{0.05cm}\sqrt{2f/R}}\hspace{0.05cm},\hspace{0.2cm} b_2 = \beta_2\hspace{0.15cm}{\rm (in \hspace{0.15cm}rad)  }\cdot l \cdot \sqrt{R/2} \hspace{0.05cm} \end{align*}$$
  
'''1.'''  Der von den Ohmschen Verlusten herrührende erste Term (frequenzunabhängige Dämpfung) führt zu einer Diracfunktion mit dem Gewicht $K$, sodass die Faltung mit $h_{α0}(t)$ durch die Multiplikation mit $K = {\rm e}^{–0.59} ≈$ 0.55 ersetzt werden kann:
+
The meaning of the quantities implicitly defined here will be discussed a little later.
$$h_{\alpha 0}(t) =  K \cdot \delta(t) \hspace{0.25cm}{\rm mit}\hspace{0.25cm} K = {\rm  e}^{-{\rm a}_0}\hspace{0.45cm}\Rightarrow\hspace{0.45cm} h_{\rm K}(t)  = h_{\alpha 0}(t) \star h_{\rm Rest}(t) = K \cdot  h_{\rm Rest}(t)\hspace{0.05cm}.$$
 
  
 +
&rArr; &nbsp; We proceed  here first quite formally.&nbsp; According to the &nbsp;[[Signal_Representation/The_Convolution_Theorem_and_Operation|&raquo;convolution theorem&laquo;]],&nbsp; the resulting impulse response is the &nbsp;[[Signal_Representation/Fourier_Transform_and_its_Inverse#The_second_Fourier_integral|&raquo;Fourier retransform&laquo;]]&nbsp; of &nbsp;$H_{\rm K}(f)$:
 +
:$$h_{\rm K}(t)  = h_{\alpha 0}(t) \star h_{\alpha 1}(t) \star h_{\beta 1}(t)\star h_{\alpha 2}(t) \star h_{\beta 2}(t) \hspace{0.05cm},$$
 +
:$$h_{\alpha 0}(t) \quad \circ\!\!-\!\!\!-\!\!\!-\!\!\bullet\quad H_{\alpha 0}(f) \hspace{0.05cm},\hspace{0.2cm} h_{\alpha 1}(t) \circ\!\!-\!\!\!-\!\!\!-\!\!\bullet\quad H_{\alpha 1}(f) \hspace{0.05cm},\hspace{0.2cm} {\rm etc.}$$
  
'''2.'''  $H_{α1}(f)$ ist eine reelle und gerade Funktion der Frequenz, so dass auch die Fourierrücktransformierte reell und symmetrisch um $t =$ 0 ist:
+
These five components are now to be considered separately,&nbsp; with the numerical results referring to
$$H_{\alpha 1}(f) = {\rm  e}^{-2\cdot{\rm a}_1 \cdot |f/R|} \quad \bullet\!\!-\!\!\!\!\!\!-\!\!\circ\quad  h_{\alpha 1}(t)= \frac{1}{T} \cdot  \frac{{\rm a}_1}{{\rm a}_1^2 + \pi \cdot (t/T)^2}\hspace{0.05cm}, \hspace{0.2cm} {\rm a}_1 \hspace{0.15cm}{\rm in \hspace{0.15cm}Np  } \hspace{0.05cm}.$$
+
*a digital transmission system with bit rate &nbsp;$R = 30 \ \rm Mbit/s$&nbsp; and
Mit den beispielhaften Zahlenwerten $α_1 =$ 0.1 Np/(km · MHz), $l =$ 1 km, $R =$ 30 MHz  $⇒  a_1 =$ 1.5 (Np) ergibt sich für das Maximum dieses Anteils: $h_{α1}(t = 0) = 1/a_1 = 2/3 · 1/T.$
 
 
   
 
   
 +
*a two-wire line with dimensions&nbsp; $d = 0.4 \ \rm mm$&nbsp; and&nbsp; $l = 1 \ \rm km$.&nbsp;
 +
 +
 +
Thus,&nbsp; the&nbsp; $α$–coefficients in Neper&nbsp; $\rm (Np)$&nbsp; are:
 +
:$$\alpha_0  = 0.59\, \frac{ {\rm Np} }{ {\rm km} } \hspace{0.05cm}, \hspace{0.2cm} \alpha_1  = 0.10\, \frac{ {\rm Np} }{ {\rm km \cdot MHz} }\hspace{0.05cm}, \hspace{0.2cm} \alpha_2  = 1.69\, \frac{ {\rm Np} }{ {\rm km \cdot \sqrt{MHz} } } \hspace{0.05cm}.$$
 +
 +
The phase function per unit length of this line is also given in&nbsp; [PW95]<ref name="PW95">Pollakowski, P.; Wellhausen, H.-W.: Eigenschaften symmetrischer Ortsanschlusskabel im
 +
Frequenzbereich bis 30 MHz. Deutsche Telekom AG, Forschungs- und Technologiezentrum
 +
Darmstadt, 1995.</ref>:
 +
:$$b_{\rm K}(f)  =  \beta_1 \cdot f +  \beta_2 \cdot \sqrt {f}\hspace{0.05cm}, \hspace{0.2cm} \beta_1  = 32.9\, \frac{ {\rm rad} }{ {\rm km \cdot MHz} }\hspace{0.05cm}, \hspace{0.2cm} \beta_2  = 2.26\, \frac{ {\rm rad} }{ {\rm km \cdot \sqrt{MHz} } }\hspace{0.05cm}.$$
 +
The symbol duration &nbsp;$T = 1/R ≈ 33 \ \rm  ns$&nbsp; is suitable as a normalization quantity of time.
 +
 +
==Interpretation and manipulation of the individual impulse responses==
 +
<br>
 +
Now the five impulse response components &nbsp;$h_{α0}(t), \ h_{α1}(t), \ h_{α2}(t), \ h_{β1}(t)$&nbsp; and &nbsp;$h_{β2}(t)$&nbsp; are interpreted:
 +
 +
'''(1)'''&nbsp;&nbsp; The first term resulting from the ohmic losses&nbsp; $($frequency-independent attenuation$)$&nbsp; leads to a Dirac delta function with weight &nbsp;$K$,&nbsp; so that the convolution with &nbsp;$h_{α0}(t)$&nbsp; can be replaced by the multiplication with &nbsp;$K = {\rm e}^{–0.59} ≈ 0.55$:
 +
:$$h_{\alpha 0}(t) =  K \cdot \delta(t) \hspace{0.25cm}{\rm with}\hspace{0.25cm} K = {\rm  e}^{-{\rm a}_0}\hspace{0.45cm}\Rightarrow\hspace{0.45cm} h_{\rm K}(t)  = h_{\alpha 0}(t) \star h_{\rm Rest}(t) = K \cdot  h_{\rm Rest}(t)\hspace{0.05cm}.$$
 +
 +
'''(2)'''&nbsp;&nbsp;  $H_{α1}(f)$&nbsp; is a real and even function of frequency,&nbsp; so the Fourier retransform is also real and symmetric at &nbsp;$t =0$:
 +
:$$H_{\alpha 1}(f) = {\rm  e}^{-2\cdot{\rm a}_1 \cdot |f/R|} \quad \bullet\!\!-\!\!\!-\!\!\!-\!\!\circ\quad  h_{\alpha 1}(t)= \frac{1}{T} \cdot  \frac{{\rm a}_1}{{\rm a}_1^2 + \pi \cdot (t/T)^2}\hspace{0.05cm}, \hspace{0.2cm} {\rm a}_1 \hspace{0.15cm}{\rm in \hspace{0.15cm}Np  } \hspace{0.05cm}.$$
 +
:With the exemplary numerical values &nbsp;$α_1 = 0.1 \ \rm  Np/(km · MHz)$, &nbsp; $l = 1 \ \rm km$, &nbsp; $R = 30 \ \rm MHz$  &nbsp; &rArr; &nbsp; ${\rm a}_1 = 1.5 \ \rm (Np)$,&nbsp; we obtain for the maximum of this fraction:
 +
:$$h_{α1}(t = 0) = 1/{\rm a}_1 = 2/3 · 1/T.$$
  
'''3.'''  Wie bei den Koaxialkabelsystemen führt $H_{β1}(f)$ zu keiner Signalverzerrung, sondern nur zu einer Zeitverzögerung um die [[Lineare_zeitinvariante_Systeme/Lineare_Verzerrungen#Unterschied_zwischen_Phasen-_und_Gruppenlaufzeit|Phasenlaufzeit]] $τ_{\rm P} ≈$ 5.24 μs  $⇒ τ_{\rm P}/T ≈$ 157.  
+
'''(3)'''&nbsp;&nbsp; As for the coaxial cable systems, &nbsp;$H_{β1}(f)$&nbsp; does not lead to any signal distortion,&nbsp; but only to a time delay by the &nbsp;[[Linear_and_Time_Invariant_Systems/Linear_Distortions#Difference_between_phase_and_group_delay_time|&raquo;phase delay time&laquo;]]:
 +
:$$τ_{\rm P} ≈ 5.24 \ \rm &micro;s \hspace{0.2cm} &rArr; \hspace{0.2cm} τ_{\rm P}/T ≈ 157.$$
  
 +
'''(4)'''&nbsp;&nbsp;  Let us turn to the combined consideration of the &nbsp;$H_{α2}(f)$&nbsp; and &nbsp;$H_{β2}(f)$&nbsp; components,&nbsp; which is described in the time domain by the common impulse response &nbsp;$h_2(t)$:
 +
:$$H_{\alpha 2}(f) \cdot H_{\beta 2}(f)  \quad \bullet\!\!-\!\!\!-\!\!\!-\!\!\circ\quad  h_{2}(t) \hspace{0.05cm}.$$
  
'''4.'''  Wenden wir uns schließlich der gemeinsamen Betrachtung der Spektralanteile $H_{α2}(f)$ und $H_{β2}(f)$ zu, die durch die Teilimpulsantwort $h_2(t)$ beschrieben wird:
+
'''(5)'''&nbsp;&nbsp; To apply the results of the chapter &nbsp;[[Linear_and_Time_Invariant_Systems/Eigenschaften_von_Koaxialkabeln|&raquo;Properties of Coaxial Cables&laquo;]],&nbsp; we replace &nbsp;$β_2$&nbsp; by &nbsp;$α_2 · \rm rad/Np$&nbsp; and &nbsp;$b_2$&nbsp; by &nbsp;${\rm a}_2 · \text{rad/Np}$,&nbsp; so that &nbsp;${\rm a}_2$&nbsp; and &nbsp;$b_2$&nbsp; have the same numerical value.&nbsp; As an example, we substitute here:
$$H_{\alpha 2}(f) \cdot H_{\beta 2}(f)  \quad \bullet\!\!-\!\!\!\!\!\!-\!\!\circ\quad  h_{\alpha 2}(t) \hspace{0.05cm}.$$
+
:$$ b_2 = 8.75\, {\rm rad}\hspace{0.2cm} \Rightarrow  \hspace{0.2cm} b_2 = 6.55 \,{\rm rad}\hspace{0.05cm}.$$
Um die Ergebnisse von Kapitel 4.2 anwenden zu können, ersetzen wir $β_2$ durch $α_2$ · rad/Np und $b_2$ durch $a_2$ · rad/Np, so dass $a_2$ und $b_2$ den gleichen Zahlenwert besitzen. Beispielhaft ersetzt man hier:
+
:One thus reduces the constant &nbsp;$β_2 = 2.26 \ \rm rad/(km · \sqrt{MHz})$&nbsp; to &nbsp;$β_2 = 1.69 \ \rm rad/(km · \sqrt{MHz})$&nbsp;.
$$ b_2 = 8.75\, {\rm rad}\hspace{0.2cm} \Rightarrow  \hspace{0.2cm} b_2 = 6.55 \,{\rm rad}\hspace{0.05cm}.$$
 
Man reduziert somit die Konstante $β_2 =$ 2.26 rad/(km · ${\rm MHz}^{0.5}$) auf $β_2 =$ 1.69 rad/(km · ${\rm MHz}^{0.5}$).
 
  
 +
'''(6)'''&nbsp;&nbsp;  Before we unnecessarily lead the reader to consider whether this approximation is indeed valid or not,&nbsp; we freely admit right away that this assumption is the weak point of our reasoning.&nbsp; A discussion of this faulty assumption follows in the &nbsp;[[Linear_and_Time_Invariant_Systems/Properties_of_Balanced_Copper_Pairs#Discussion_of_the_approximate_solution_found|&raquo;next secction&laquo;]].
  
'''5.'''  Bevor wir den Leser unnötig zu Überlegungen verleiten, ob diese Näherung tatsächlich zulässig ist oder nicht, geben wir gleich freiwillig zu, dass diese Annahme die Schwachstelle unserer Überlegungen ist. Eine Diskussion dieser Fehlannahme folgt im [[Lineare_zeitinvariante_Systeme/Kupfer–Doppelader#Diskussion_der_gefundenen_N.C3.A4herungsl.C3.B6sung_.281.29|übernächsten Abschnitt]].  
+
'''(7)'''&nbsp;&nbsp; Now that &nbsp;${\rm a}_2$&nbsp; and &nbsp;$b_2$&nbsp; have the same numerical values,&nbsp; we can further use the equation given in the chapter &nbsp;[[Linear_and_Time_Invariant_Systems/Eigenschaften_von_Koaxialkabeln|&raquo;Properties of Coaxial Cables&laquo;]],&nbsp; substituting &nbsp;$\rm a_∗$&nbsp; for &nbsp;$\rm a_2$&nbsp;:
 +
:$$h_{\rm 2}(t )  = \frac {1/T \cdot {\rm a_2}}{\pi \cdot \sqrt{2 \cdot(t/T)^3}}\cdot {\rm e}^{ - {{\rm a_2}^2}/( {2\pi \hspace{0.05cm}\cdot \hspace{0.05cm} t/T})} \hspace{0.05cm}, \hspace{0.2cm} {\rm a}_2\hspace{0.15cm}{\rm in \hspace{0.15cm}Np} \hspace{0.05cm}.$$
  
 +
'''(8)'''&nbsp;&nbsp;  The total impulse response without consideration of the phase delay time is thus given by
 +
:$$h_{\rm K}(t + \tau_{\rm P})  = K \cdot h_{\alpha 1}(t) \star h_{2}(t)\hspace{0.05cm}.$$
 +
:By shifting &nbsp;$τ_{\rm P}$&nbsp; to the right, the searched function &nbsp;$h_{\rm K}(t)$&nbsp; is obtained.&nbsp; In the following example,&nbsp; this procedure is illustrated by graphs.
  
'''6.'''  Nachdem nun $a_2$ und $b_2$ die gleichen Zahlenwerte aufweisen, kann die in [[Lineare_zeitinvariante_Systeme/Koaxialkabel|Kapitel 4.2]]  angegebene Gleichung weiterverwendet werden, wobei $a_∗$ durch $a_2$ zu ersetzen ist:
 
$$h_{\rm 2}(t )  = \frac {1/T \cdot {\rm a_2}}{\pi \cdot \sqrt{2 \cdot(t/T)^3}}\cdot {\rm exp} \left [ -\frac {{\rm a_2}^2}{ {2\pi \cdot t/T}} \right ] \hspace{0.05cm}, \hspace{0.2cm} {\rm a}_2\hspace{0.15cm}{\rm in \hspace{0.15cm}Np} \hspace{0.05cm}.$$
 
  
 +
{{GraueBox|TEXT= 
 +
$\text{Example 3:}$&nbsp;
 +
For the following graphs,&nbsp; a two-wire line with dimensions &nbsp;$d = 0.4 \ \rm mm$,&nbsp; and &nbsp;$l = 1 \ \rm km$&nbsp; is still assumed.&nbsp; Please note the different ordinate scaling of the three diagrams in the graph.
  
'''7.'''  Die gesamte Impulsantwort ohne Berücksichtigung der Phasenlaufzeit ergibt sich damit zu
+
#The bit rate is &nbsp;$R = 30 \ \rm Mbit/s$  &nbsp; ⇒ &nbsp; symbol duration &nbsp;$T ≈ 33\ \rm  ns$.  
$$h_{\rm K}(t + \tau_{\rm P}) = K \cdot h_{\alpha 1}(t) \star h_{2}(t)\hspace{0.05cm}.$$
+
#We assume the quantities given in the yellow box,&nbsp; calculated in the last section.
Durch Verschiebung um $τ_{\rm P}$ nach rechts ergibt sich die gesuchte Funktion $h_{\rm K}(t)$. Im nächsten Abschnitt wird diese Vorgehensweise durch Grafiken verdeutlicht.
+
#For this purpose,&nbsp; the &nbsp;$b_2$ value is changed from &nbsp;$8.75 \ \rm rad$&nbsp; to &nbsp;$6.55 \ \rm rad$&nbsp; to match the &nbsp;${\rm a}_2$ value.  
 +
#The effects of this measure are interpreted in the next section.
 +
[[File:EN_LZI_T_4_3_S4.png|right|frame| For calculating the impulse response of a two-wire line]] 
  
 +
*On the top right &nbsp;$h_1(t) = h_{\rm α1}(t + τ_{\rm P})$&nbsp; is shown. This component is due to the &nbsp;$α_1$&nbsp; and &nbsp;$β_1$&nbsp; coefficients. $h_1(t)$&nbsp; is a symmetric function with respect to the phase delay time &nbsp;$τ_{\rm P}$&nbsp; with the maximum value &nbsp;$(1.5T)^{–1}$, where the &nbsp;$1/(1 + t^2$) decay is rapidly decreased at &nbsp;$ \pm 5T$&nbsp; $($right and left of &nbsp;$τ_{\rm P})$.
  
Für die folgenden Grafiken wird weiterhin eine Zweidrahtleitung mit den Abmessungen $d =$ 0.4 mm und $l =$ 1 km vorausgesetzt. Die Bitrate beträgt $R =$ 30 Mbit/s ⇒ Symboldauer $T ≈$ 33 ns. Wir gehen von den im gelben Kasten angegebenen Größen aus, die auf der letzten Seite berechnet wurden. Der $b_2$–Wert wird von 8.75 rad dazu auf 6.55 rad verändert und damit an den $a_2$–Wert angepasst. Die Auswirkungen dieser Maßnahme werden auf der nächsten Seite interpretiert.
+
*The lower left diagram shows the signal component &nbsp;$h_2(t)$,&nbsp; due to the coefficients &nbsp;$α_2$&nbsp; and &nbsp;$β_2$.&nbsp; $h_2(t)$&nbsp; is identical to the &nbsp;[[Linear_and_Time_Invariant_Systems/Properties_of_Coaxial_Cables#Impulse_response_of_a_coaxial_cable|&raquo;coaxial cable impulse response&laquo;]]&nbsp;  $($ignoring the delay time$)$.&nbsp; Characteristic cable attenuation is &nbsp;${\rm a}_*=6.55 \ \rm Np$&nbsp; $(56.9 \ \rm dB)$.  
  
 +
*The red curve represents the convolution product &nbsp;$h_1(t) ∗ h_2(t)$.&nbsp; It can be seen that the waveform is essentially fixed by &nbsp;$h_2(t)$.&nbsp; However,&nbsp; convolution with &nbsp;$h_1(t)$&nbsp; leads to a&nbsp; (slight)&nbsp; distortion of the waveform in addition to an amplitude loss of about &nbsp;$10\%$.
  
[[File:P_ID1811__LZI_T_4_3_S4_v2.png | Zur Berechnung der Impulsantwort einer Zweidrahtleitung]]
+
*The resulting impulse response&nbsp; $h_{\rm K}(t)$&nbsp; of the 0.4mm two-wire line is shown as a blue curve in the lower right diagram.&nbsp; The difference to the convolution product &nbsp;$h_1(t) ∗ h_2(t)$&nbsp; drawn in red results from the influence of the DC signal attenuation $($coefficient &nbsp;$α_0)$. }}
  
  
Beachten Sie bitte die unterschiedlichen Ordinatenskalierungen der drei Diagramme in obiger Grafik.
 
*Oben rechts ist $h_1(t) = h_{\rm α1}(t + τ_{\rm P})$ dargestellt. Dieser Anteil geht auf die Konstanten $α_1$ und $β_1$ zurück. $h_1(t)$ ist eine bezüglich der Phasenlaufzeit $τ_{\rm P}$ symmetrische Funktion mit dem Maximalwert $(1.5T)^{–1}$, wobei der 1/(1 + $x^2$)–Abfall bei ±5 $T$ (rechts und links von $τ_{\rm P}$) nahezu abgeklungen ist.
 
*Das linke untere Diagramm zeigt den Signalanteil $h_2(t)$, der auf die beiden Koeffizienten $α_2$ und $β_2$ zurückgeht. $h_2(t)$ ist identisch mit der [[Lineare_zeitinvariante_Systeme/Koaxialkabel#Impulsantworten_von_Koaxialkabeln_.281.29|Koaxialkabel–Impulsantwort]]  (ohne Berücksichtigung der Laufzeit), wenn die charakteristische Kabeldämpfung 6.55 Np bzw. 56.9 dB beträgt.
 
*Die rote Kurve in diesem Diagramm stellt das Faltungsprodukt $h_1(t) ∗ h_2(t)$ dar. Man erkennt, dass die Kurvenform im wesentlichen durch $h_2(t)$ festliegt. Die Faltung mit $h_1(t)$ führt aber neben einem Amplitudenverlust um ca. 10% auch zu einer (leichten) Verfälschung der Signalform.
 
*Die resultierende Impulsantwort der 0.4mm–Zweidrahtleitung ist im unteren rechten Diagramm als blaue Kurve dargestellt. Der Unterschied zum rot eingezeichneten Faltungsprodukt $h_1(t) ∗ h_2(t)$ ergibt sich durch den Einfluss der Gleichsignaldämpfung (Koeffizient $α_0$).
 
  
  
Die hier vorgestellte Methode können Sie sich auch für andere Parameterwerte (Durchmesser, Länge, Bitrate) mit dem Interaktionsmodul Zeitverhalten von Kupferkabeln  verdeutlichen.
+
==Discussion of the approximate solution found==
 +
<br>
  
==Diskussion der gefundenen Näherungslösung==
+
{{GraueBox|TEXT=
Die Grafik zeigt die (normierten) Impulsantworten $T · h_{\rm K}(t)$ für zwei beispielhafte Kupferkabel, nämlich
+
$\text{Example 4:}$&nbsp;
*für das '''Normalkoaxialkabel 2.6/9.5 mm''' bei 10.1 km Länge (oben), wobei gilt:
+
The following graph shows the (normalized) impulse responses &nbsp;$T · h_{\rm K}(t)$&nbsp; for two exemplary copper cables,&nbsp; namely for
$$a_0 = 0.016\,{\rm Np}\hspace{0.05cm}, \hspace{0.15cm}
+
[[File:EN_LZI_T_4_3_S5.png|right|frame| Impulse response approximations of normal coaxial cable (top) <br>and&nbsp; 0.4 mm&nbsp; two-wire cable (bottom)]]
 +
$(1)$&nbsp; the&nbsp; &raquo;'''standard coaxial cable 2.6/9.5 mm'''&laquo;&nbsp; at&nbsp; $\text{10.1 km}$&nbsp; length&nbsp; $($above$)$,&nbsp; where:
 +
:$$a_0 = 0.016\,{\rm Np}\hspace{0.05cm}, \hspace{0.15cm}
 
a_1 = 0.020\,{\rm Np}\hspace{0.05cm}, \hspace{0.15cm}
 
a_1 = 0.020\,{\rm Np}\hspace{0.05cm}, \hspace{0.15cm}
a_2 = 6.177\,{\rm Np}\hspace{0.05cm}, \hspace{0.15cm}
+
a_2 = 6.177\,{\rm Np}\hspace{0.05cm}, $$
\tau_{ {\rm P} }/T = 350\hspace{0.05cm}, \hspace{0.15cm}  
+
:$$\tau_{ {\rm P} }/T = 350\hspace{0.05cm}, \hspace{0.15cm}  
b_2 = 6.177\,{\rm rad}\hspace{0.05cm},$$
+
b_2 = 6.177\,{\rm rad}\hspace{0.05cm};$$
*für die '''0.4 mm Zweidrahtleitung''' mit der Länge 1.8 km (unten) mit den Kenngrößen
+
$(2)$&nbsp; the&nbsp; &nbsp; &raquo;'''0.4 mm two-wire line'''&laquo;&nbsp; with length&nbsp; $\text{1.8 km}$&nbsp; $($below$)$ with the parameters
$$a_0 = 1.057\,{\rm Np}\hspace{0.05cm}, \hspace{0.15cm}
+
:$$a_0 = 1.057\,{\rm Np}\hspace{0.05cm}, \hspace{0.15cm}
 
a_1 = 0.147\,{\rm Np}\hspace{0.05cm}, \hspace{0.15cm}
 
a_1 = 0.147\,{\rm Np}\hspace{0.05cm}, \hspace{0.15cm}
a_2 = 6.177\,{\rm Np}\hspace{0.05cm}, \hspace{0.15cm}
+
a_2 = 6.177\,{\rm Np}\hspace{0.05cm}, $$
\tau_{ {\rm P} }/T = 94\hspace{0.05cm}, \hspace{0.15cm}  
+
:$$\tau_{ {\rm P} }/T = 94\hspace{0.05cm}, \hspace{0.15cm}  
 
b_2 = 8.260\,{\rm rad}\hspace{0.05cm}.$$
 
b_2 = 8.260\,{\rm rad}\hspace{0.05cm}.$$
  
  
Diese Zahlenwerte gelten für die Bitrate $R =$ 10 Mbit/s  ⇒  Zeitnormierung $T =$ 0.1 μs. Die beiden Kabellängen wurden so gewählt, dass sich genau gleiche $a_2$–Parameter ergeben. Zudem wurde für die Zweidrahtleitung der letzte Phasenwert $b_2  ⇒  b_2'$ so angepasst, dass sich wie beim Koaxialkabel für $b_2' =$ 6.177 rad und $a_2 =$ 6.177 Np (≈ 53 dB) gleiche Zahlenwerte ergeben.
+
$\rm Note:$
  
 +
*These values are valid for bit rate &nbsp;$R = 10 \ \rm Mbit/s$.
 +
* Thus,&nbsp;  the time normalization &nbsp;$T = 1/R= 0.1 \ \rm &micro; s$.
  
[[File:P_ID1820__LZI_T_4_3_S5_v4.png | Impulsantwortnäherungen von Normalkoaxialkabeln (oben) und 0.4 mm Zweidrahtleitung (unten)]]
+
*The two cable lengths were chosen to give exactly equal &nbsp;$a_2$ parameters.
 +
 +
*For the two-wire cable,&nbsp; the phase value &nbsp;$b_2  ⇒  b_2\hspace{0.01cm}'$&nbsp; was adjusted to give equal values for &nbsp;$b_2\hspace{0.05cm}' = 6.177 \ \rm rad$&nbsp; and &nbsp;$a_2 = 6.177 \ \rm Np \ (≈ 53 \ dB)$&nbsp; as for the coaxial cable.
 +
<br clear=all>
 +
The blue curves show the approximations when the &nbsp;$a_0, \ a_1$ and &nbsp;$b_1$ terms are neglected.&nbsp; Due to the &nbsp;$b_2  ⇒  b_2\hspace{0.01cm}'$&nbsp; phase matching for the two-wire line,&nbsp; the curves are nearly the same.&nbsp; The maximum of about &nbsp;$3.8\%$&nbsp; is at about &nbsp;$t/T = 4$&nbsp; $($different time scales in both diagrams!$)$.
  
 +
The red curves also take into account the &nbsp;$a_0, \ a_1$ and &nbsp;$b_1 $&nbsp; terms.&nbsp; The red curve of the coaxial cable is the actual&nbsp; $($normalized$)$&nbsp; impulse response &nbsp;$T · h_{\rm K}(t)$.
  
Die blauen Kurven zeigen die Näherungen bei Vernachlässigung der $a_0–, a_1–$ und $b_1–$Terme. Aufgrund der Phasenanpassung $b_2  ⇒  b_2'$ bei der Zweidrahtleitung ergeben sich gleiche Kurvenverläufe. Das Maximum von ca. 3.8% liegt bei etwa $t/T =$ 4 (unterschiedlichen Zeitmaßstäbe in beiden Diagrammen!).  
+
From these representations,&nbsp; one can further see:
 +
#For the coaxial cable,&nbsp; the &nbsp;$a_0$ term and the &nbsp;$a_1 $&nbsp; term can be neglected.&nbsp; The resulting relative error is only &nbsp;$3.5\%$.  
 +
#However, the phase delay time &nbsp;$τ_{\rm P}$, i.e. the &nbsp;$b_1$ term,&nbsp; cannot be neglected.&nbsp; For the coaxial cable this gives &nbsp;$τ_{\rm P}/T ≈ 350$,&nbsp; while for the two-wire line it is &nbsp;$τ_{\rm P}/T ≈ 94$&nbsp;&nbsp; $($note the different time scales$)$.
 +
#For the two-wire line $($below$)$,&nbsp; do not neglect DC signal attenuation &nbsp;$(a_0)$&nbsp; and transverse loss &nbsp;$(a_1)$&nbsp;: &nbsp; <br>The red approximation &nbsp;$T · h_{\rm K}\hspace{0.01cm}'(t)$&nbsp; is &nbsp;$70\%$&nbsp; lower than the blue one and also slightly wider.}}
  
  
Die roten Kurven berücksichtigen auch die $a_0–, a_1–$ und $b_1–$Terme. Die rote Kurve des Koaxialkabels ist die tatsächliche (normierte) Impulsantwort $T · h_{\rm K}(t)$. Man erkennt weiter:  
+
{{GraueBox|TEXT= 
*Beim Koaxialkabel können der $a_0–$Term und der $a_1–$Term vernachlässigt werden. Der dadurch entstehende relative Fehler beträgt lediglich 3.5%.  
+
$\text{Example 5:}$&nbsp; This example shows approximations of the impulse response of a two-wire line&nbsp; $($length $\text{1.8 km}$,&nbsp; diameter $\text{0.4 mm)}$,&nbsp; so that according to&nbsp; [PW95]<ref name="PW95">Pollakowski, P.; Wellhausen, H.-W.: Eigenschaften symmetrischer Ortsanschlusskabel im
*Nicht zu vernachlässigen ist dagegen die Phasenlaufzeit $τ_{\rm P}$, also der $b_1–$Term. Beim Koaxialkabel ergibt sich $τ_{\rm P}/T ≈$ 350, während bei der Zweidrahtleitung $τ_{\rm P}/T ≈$ 94 gilt (anderer Zeitmaßstab).  
+
Frequenzbereich bis 30 MHz. Deutsche Telekom AG, Forschungs- und Technologiezentrum
*Bei der Zweidrahtleitung (unten) darf man Gleichsignaldämpfung $(a_0)$ und Querverlust $(a_1)$ nicht vernachlässigen: Die rote Näherung $T · h_{\rm K}'(t)$ ist um 70% niedriger als die blaue und etwas breiter.
+
Darmstadt, 1995.</ref>.&nbsp; the following parameters can be assumed:
 +
[[File:EN_LZI_T_4_3_S5c.png|frame| For the impulse response of a&nbsp; $\text{0.4 mm}$&nbsp; two-wire cable]]
 +
:$$a_0 = 1.057\,{\rm Np}\hspace{0.05cm}, \hspace{0.15cm}
 +
a_1 = 0.147\,{\rm Np}\hspace{0.05cm}, \hspace{0.15cm}
 +
a_2 = 6.177\,{\rm Np}\hspace{0.05cm}, $$
 +
:$$\tau_{ {\rm P} }/T = 94\hspace{0.05cm}, \hspace{0.15cm}
 +
b_2 = 8.260\,{\rm rad}\hspace{0.05cm}.$$
  
 +
The upper diagram – equal to the lower diagram in&nbsp; $\text{Example 4}$ – shows two approximations
 +
*with neglection of the &nbsp;$a_0, \ a_1$&nbsp; and &nbsp;$b_1$ terms&nbsp;  $($blue curve$)$,
 +
 +
*with consideration of the &nbsp;$a_0, \ a_1$&nbsp; and &nbsp;$b_1$ terms&nbsp; $($red curve$)$.
  
Die folgende Grafik zeigt Näherungen der Impulsantwort einer Zweidrahtleitung der Länge 1.8 km mit 0.4 mm Durchmesser, so dass entsprechend [PW95]<ref name="PW95"/> von folgenden Kenngrößen auszugehen ist:
 
$$a_0 = 1.057\,{\rm Np}\hspace{0.05cm}, \hspace{0.15cm}
 
a_1 = 0.147\,{\rm Np}\hspace{0.05cm}, \hspace{0.15cm}
 
a_2 = 6.177\,{\rm Np}\hspace{0.05cm}, \hspace{0.15cm}
 
\tau_{ {\rm P} }/T = 94\hspace{0.05cm}, \hspace{0.15cm}
 
b_2 = 8.260\,{\rm rad}\hspace{0.05cm}.$$
 
  
Die obere Grafik – identisch mit dem unteren Diagramm im letzten Abschnitt – zeigt zwei Näherungen:
+
For this upper diagram,&nbsp; we further adopted the &nbsp;$a_2$&nbsp; coefficient given in&nbsp; [PW95]<ref name="PW95"/>&nbsp; and lowered the mentioned coefficient &nbsp;$b_2 = 8.260 \ \rm rad$&nbsp; to &nbsp;$b_2\hspace{0.01cm}' = 6.177 \ \rm rad$&nbsp;.  
*Vernachlässigung der $a_0–, a_1–$ und $b_1–$Terme sowie Phasenanpassung $b_2 ⇒ b_2'$ (blaue Kurve),
 
*Berücksichtigung der $a_0–, a_1–$ und $b_1–$Terme, weiterhin Phasenanpassung $b_2 ⇒ b_2'$ (rote Kurve).  
 
  
 +
$\text{Note:}$ &nbsp; In contrast to the coaxial cable in &nbsp;[[Linear_and_Time_Invariant_Systems/Properties_of_Balanced_Copper_Pairs#Interpretation_and_manipulation_of_the_individual_impulse_responses|$\text{Example 3}$]],&nbsp; because of &nbsp;$b_2\hspace{0.01cm}' ≠ b_2$&nbsp; the red curve &nbsp;$T · h_{\rm K}\hspace{0.01cm}'(t)$&nbsp; is also only an approximation,&nbsp; which is indicated in the graph by the apostrophe.
  
Im Gegensatz zum Koaxialkabel ist hier wegen $b_2' ≠ b_2$ auch die rote Kurve nur eine Näherung, was in der Grafik durch ein Hochkomma vermerkt ist.
+
Without the correction &nbsp;$b_2\hspace{0.01cm}' = a_2 ·  \text{rad/Np}$,&nbsp; the &nbsp;[[Linear_and_Time_Invariant_Systems/Conclusions_from_the_Allocation_Theorem#Hilbert_transform|&raquo;Hilbert transform&laquo;]],&nbsp; which establishes the relationship between magnitude and phase in real and thus establishes &nbsp;[https://en.wikipedia.org/wiki/Minimum_phase &raquo;minimum-phase systems&laquo;],&nbsp; would not be satisfied.&nbsp; Therefore,&nbsp; it would result in a noncausal impulse response.  
  
 +
We therefore believe that even for a two-wire line, the two parameters &nbsp;$a_2$&nbsp; and &nbsp;$b_2$&nbsp; should have equal numerical values.
  
[[File:P_ID2846__LZI_T_4_3_S5c_v2.png | Zur Impulsantwort einer 0.4 mm Zweidrahtleitung]]
+
We now consider a second approach,&nbsp; shown in the diagram below:
 +
#Here,&nbsp; the phase coefficient &nbsp;$b_2 = 8.260 \ \rm rad$&nbsp; given in&nbsp; [PW95]<ref name="PW95"/>&nbsp; was kept.
 +
#Instead,&nbsp; the attenuation coefficient &nbsp;$a_2 = 6.177 \ \rm Np$&nbsp; was adjusted to the phase coefficient&nbsp; $($i.e.,&nbsp; enlarged$)$: &nbsp; $a_2\hspace{0.01cm}' = 8.260 \ \rm Np$.
 +
#The lower&nbsp; $($red$)$&nbsp; impulse response &nbsp; ⇒ &nbsp;  &raquo;worst case&laquo;&nbsp; is less than half as high and much wider than the upper impulse response &nbsp;  ⇒ &nbsp;  &raquo;best case&laquo;.  
 +
#The actual&nbsp; $($normalized$)$&nbsp; impulse response &nbsp;$T \cdot h_{\rm K}\hspace{0.01cm}'(t)$&nbsp; will probably lie in between.&nbsp; We do not allow ourselves to make more precise statements.}}
  
 +
==Crosstalk on two-wire lines==
 +
<br>
 +
For transmission systems over two-wire lines,&nbsp; the same &nbsp;[[Linear_and_Time_Invariant_Systems/Properties_of_Coaxial_Cables#Special_features_of_coaxial_cable_systems|&raquo;block diagram&laquo;]]&nbsp; can be assumed as for the coaxial cable systems,&nbsp; where now
 +
*for the frequency response &nbsp;$H_{\rm K}(f)$&nbsp; and the impulse response &nbsp;$h_{\rm K}(t)$&nbsp; the equations given in this section are to be used,
 +
*white Gaussian noise &nbsp;$N_0$&nbsp; is no longer the dominant cause of stochastic impairments,&nbsp;
 +
*but&nbsp; &raquo;'''crosstalk'''&laquo;&nbsp; due to capacitive or inductive coupling of adjacent pairs now predominates.
  
Ohne die Korrektur $b_2' = a_2 ·$ rad/Np wäre die [[Lineare_zeitinvariante_Systeme/Folgerungen_aus_dem_Zuordnungssatz#Hilbert.E2.80.93Transformation|Hilbert–Transformation]]  (Zusammenhang zwischen Betrag und Phase bei realen  ⇒  minimalphasigen Systemen) nicht erfüllt. Deshalb ergäbe sich eine akausale Impulsantwort. Wir glauben deshalb (ohne es zu wissen), dass auch bei einer Zweidrahtleitung die beiden Parameter $a_2$ und $b_2$ gleiche Zahlenwerte haben müssten. Wir betrachten nun zwei Fälle.
 
*Für die obere Grafik haben wir – wie bisher auch – den in [PW95]<ref name="PW95"/> angegebenen $a_2–$Koeffizienten übernommen und den genannten $b_2–$Koeffizienten herabgesetzt: $b_2 =$ 8.26 rad  ⇒  $b_2' =$ 6.18 rad.
 
*Dagegen wurde für die untere Grafik der Phasenkoeffizient $b_2 =$ 8.26 rad beibehalten und der Dämpfungskoeffizient $a_2$ daran angepasst (vergrößert): $a_2 =$ 6.18 Np  ⇒  $a_2' =$ 8.26 Np.
 
*Die rot eingezeichnete Impulsantwort im unteren Bild  ⇒  ''Worst Case'' ist weniger als halb so hoch und deutlich breiter als die obere (rote) Impulsantwort  ⇒  ''Best Case.'' Die tatsächliche (normierte) Impulsantwort $h_{\rm K}'(t)$ wird dazwischen liegen. Genauere Aussagen erlauben wir uns nicht.
 
  
==Störungen auf Zweidrahtleitungen==
+
By twisting the wire pairs of a star quad as well as the basic and main bundles according to the diagram at the end of the chapter &nbsp;[[Linear_and_Time_Invariant_Systems/Properties_of_Balanced_Copper_Pairs#Access_network_of_a_telecommunications_system|&raquo;Access network of a telecommunications system&laquo;]]&nbsp; an attempt is made to achieve on average a mutual coupling as symmetrical as possible between all wire pairs.&nbsp; Due to unavoidable manufacturing tolerances,&nbsp; however,&nbsp; a slight asymmetry always remains.&nbsp; This causes:
Bei Übertragungssystemen über Zweidrahtleitungen kann vom gleichen [[Lineare_zeitinvariante_Systeme/Koaxialkabel#Einige_Bemerkungen_zu_Koaxialkabelsystemen|Blockschaltbild]] wie bei den Koaxialkabelsystemen ausgegangen werden, wobei nun
+
*In addition to its&nbsp; own&nbsp; useful signal,&nbsp; each receiver input also receives&nbsp; $($usually only small$)$&nbsp; signal components from neighboring wire pairs.
*für den Frequenzgang $H_{\rm K}(f)$ und die Impulsantwort $h_{\rm K}(t)$ die in diesem Abschnitt angegebenen Gleichungen zu verwenden sind,
 
*das weiße Rauschen $N_0$ als Störungsursache nicht mehr dominant ist, sondern Nebensprechen ''(Crosstalk)'' aufgrund von kapazitiver bzw. induktiver Kopplung benachbarter Doppeladern.  
 
  
 +
*The induced signal components represent an additional stochastic impairment for the useful signal,&nbsp; <br>which together with thermal noise results in the resulting interfering signal &nbsp;$n(t)$.
 +
 +
*The transmission quality cannot be improved or can only be improved to a very limited extent by increasing the transmitted power,&nbsp; <br>since this measure also increases the crosstalk interference.
  
Durch Verdrillen der Doppeladern eines Sternvierers sowie der Grund– und Hauptbündel wird versucht, im Mittel eine möglichst symmetrische gegenseitige Kopplung zwischen allen Aderpaaren zu erreichen. Aufgrund unvermeidbarer Fertigungstoleranzen bleibt aber immer eine leichte Unsymmetrie bestehen.  
+
[[File:EN_LZI_T_4_3_S6_v2.png|right|frame|On the emergence of crosstalk]]
 +
<br>
 +
As the diagram illustrates,&nbsp; a distinction is made between
 +
*&raquo;'''Near-End Crosstalk'''&laquo;&nbsp; $\rm (NEXT)$: <br>The interfering transmitter feeds its signal at the same end of the cable where the receiver under consideration is placed.
  
Diese bewirkt, dass
+
*&raquo;'''Far–End Crosstalk'''&laquo;&nbsp; $\rm (FEXT)$: <br>Interfering transmitter and interfering receiver are located at opposite ends of the cable.  
*an jeden Empfängereingang neben dem eigenen Nutzsignal auch (meist allerdings nur geringe) Anteile der Signale auf benachbarten Doppeladern gelangt,
 
*die induzierten Signalanteile für das Nutzsignal eine zusätzliche stochastische Störung darstellen, die zusammen mit dem thermischen Rauschen das resultierende Störsignal $n(t)$ ergeben,
 
*man die Übertragungsqualität nicht oder nur sehr begrenzt durch Erhöhung der Sendeleistung verbessern kann, da durch diese Maßnahme auch die Nebensprechstörungen zunehmen.
 
  
  
[[File:P_ID1808__LZI_T_4_3_S6_neu.png | Zur Verdeutlichung von Nahnebensprechen (NEXT) und Fernnebensprechen (FEXT)]]
+
In the case of&nbsp; &raquo;FEXT&laquo;,&nbsp; the interference accumulates over the entire cable length,&nbsp; but is also greatly attenuated by the cable attenuation.&nbsp; For bundled cables in the local loop area,&nbsp; &raquo;in quad crosstalk&laquo;&nbsp; thus results in orders of magnitude greater noise than&nbsp; &raquo;FEXT&laquo;,&nbsp;  and even&nbsp; &raquo;NEXT&laquo;&nbsp; from adjacent cores can usually be neglected.
  
 +
We therefore consider only&nbsp; &raquo;Near-End Crosstalk&laquo;  $\text{(NEXT)}$&nbsp; in the following.&nbsp;
 +
<br clear=all>
 +
{{BlaueBox|TEXT= 
 +
$\text{Without derivation:}$&nbsp; 
  
Wie die Grafik verdeutlicht, unterscheidet man zwischen
+
In this case,&nbsp; the&nbsp; [[Theory_of_Stochastic_Signals/Power-Spectral_Density#Wiener-Khintchine_Theorem|&raquo;power-spectral density&raquo;]]&nbsp; $\rm  (PSD)$&nbsp; of the noise signal &nbsp;$n(t)$&nbsp; can be represented as follows,&nbsp; taking into account the unavoidable thermal noise &nbsp;$(N_0/2)$:
*Nahnebensprechen ''(Near–End–Crosstalk'' ⇒ NEXT): Der störende Sender speist sein Signal am selben Ende des Kabels ein, an dem der betrachtete Empfänger platziert ist.  
+
:$${\it \Phi}_n(f)  =  {N_0}/{2}+{\it \Phi}_{\rm NEXT}(f) \hspace{0.05cm},\hspace{0.3cm}{\rm with} \hspace{0.3cm}{\it \Phi}_{\rm NEXT}(f)  = {\it \Phi}_{s}(f) \cdot\vert H_{\rm NEXT}(f)\vert ^2 \approx {\it \Phi}_{s}(f) \cdot [K_{\rm NEXT} \cdot f]^{3/2}\hspace{0.05cm}.$$}}
*Fernnebensprechen ''(Far–End–Crosstalk'' ⇒ FEXT): Der störende Sender und der gestörte Empfänger befinden sich an entgegengesetzten Kabelenden.  
 
  
  
Bei FEXT akkumuliert sich zwar die Störung über die gesamte Kabellänge, wird aber auch durch die Kabeldämpfung stark abgeschwächt. Für gebündelte Kabel im Teilnehmeranschlussbereich ergeben sich somit durch das Imvierer–Nahnebensprechen um Größenordnungen größerere Störungen als durch das Fernnebensprechen, und auch die Nahnebensprechstörungen von benachbarten Adern können meist vernachlässigt werden.  
+
It should be noted about this equation:
 +
#The equation is obtained by integrating the local couplings over the entire length of a short section,&nbsp; where the couplings between all copper lines are modeled by cross capacitances and inductances.
 +
# ${\it \Phi}_s(f)$&nbsp; is the power-spectral density of the interfering transmitter,&nbsp; from which the transmitted power &nbsp;$P_{\rm S}$&nbsp; is obtained by integration.&nbsp;  Assuming that the interfered transmission uses the same transmitted signal and thus the same &nbsp;${\it \Phi}_s(f)$&nbsp;  as the interferer,&nbsp; it is clear that increasing &nbsp;$P_{\rm S}$&nbsp; only reduces the&nbsp; $($relative$)$&nbsp; influence of thermal noise &nbsp;$(N_0/2)$.
 +
#The factor &nbsp;$K_{\rm NEXT}$&nbsp; quantifying the near-end crosstalk depends strongly on the core spacing,&nbsp; as well as on the degree of unbalance along the cable.&nbsp; In contrast,&nbsp; this factor &nbsp;$K_{\rm NEXT}$&nbsp; is almost independent of the conductor diameter &nbsp;$d$&nbsp; and the cable length &nbsp;$l$.
 +
#The&nbsp; $($dimensionless$)$&nbsp; product &nbsp;$K_{\rm NEXT} · f$&nbsp;  over the entire operating range of the cable,&nbsp; e.g. for all frequencies &nbsp;$0 ≤ f ≤ 30 \ \rm MHz$,&nbsp; is always much smaller than&nbsp; $1$.&nbsp; The crosstalk noise increases sharply&nbsp; $($that is,&nbsp; with exponent $1.5)$&nbsp; with frequency.
 +
#In&nbsp; [PW95]<ref name="PW95"/>,&nbsp; the following values are given after a series of measurements over forty pairs for the frequency &nbsp;$f = 10 \ \rm MHz$&nbsp;&nbsp; <br>$($for &nbsp;$f = 30 \ \rm MHz$&nbsp; these values must still be multiplied by &nbsp;$3^{3/2} ≈ 5.2)$:<br>&nbsp; &nbsp; &nbsp; &rArr; &nbsp; Worst case: &nbsp; $|H_{\rm NEXT}(f = 10 \ \rm MHz)|^2 ≈ 0.001$,<br>&nbsp; &nbsp; &nbsp; &rArr; &nbsp; Averaging over 40 cores: &nbsp; $|H_{\rm NEXT}(f = \ \rm 10 MHz)|^2 ≈ 0.0004$.
 +
#This values apply to&nbsp; &raquo;in-four near-end crosstalk&laquo;&nbsp; $($interfering transmitter and interfering receiver in the same star quad$)$.
 +
#Near-end crosstalk noise between more distant cores exhibits the same frequency dependence,&nbsp; but is smaller than&nbsp; &raquo;in-four near-end crosstalk&raquo;:<br>&nbsp; &nbsp; &nbsp; &rArr; &nbsp;  Near-end crosstalk between adjacent star quads by about &nbsp;$5 \ \rm dB$,<br>&nbsp; &nbsp; &nbsp; &rArr; &nbsp;  Near-end crosstalk between adjacent ground bundles by about &nbsp;$10 \ \rm dB$,<br>&nbsp; &nbsp; &nbsp; &rArr; &nbsp;  Near-end crosstalk between non-adjacent ground bundles by about &nbsp;$25 \ \rm dB$.  
  
  
Wir betrachten weiterhin ausschließlich das Nahnebensprechen (NEXT). Bei diesem lässt sich das [[Stochastische_Signaltheorie/Leistungsdichtespektrum_(LDS)#Theorem_von_Wiener-Chintchine|Leistungsdichtespektrum]] (LDS) des Störsignals $n(t)$ unter Berücksichtigung des unvermeidbaren thermischen Rauschens $(N_0/2)$ wie folgt darstellen:
+
{{BlaueBox|TEXT=  
$${\it \Phi}_n(f)  =  \frac{N_0}{2}+{\it \Phi}_{\rm NEXT}(f) \hspace{0.05cm},$$
+
$\text{Conclusion:}$&nbsp;
$${\it \Phi}_{\rm NEXT}(f)  = {\it \Phi}_{s}(f) \cdot |H_{\rm NEXT}(f)|^2 \approx \Phi_{s}(f) \cdot [K_{\rm NEXT} \cdot f]^{3/2}\hspace{0.05cm}.$$
+
*In order to avoid or at least to reduce such near-end crosstalk noise,&nbsp; adjacent pairs of wires are often occupied by completely different signals&nbsp; $($analog telephony, ISDN, DSL or other broadband services$)$&nbsp; which also use different frequency bands if possible.
  
 +
*By clever selection of the twisted pairs,&nbsp; adjacent cores can now be occupied with signals whose spectra overlap as little as possible,&nbsp; thus reducing crosstalk noise.}}
  
Zu dieser Gleichung ist anzumerken:
+
==Exercises for the chapter==
*Die Gleichung ergibt sich durch Integration der lokalen Kopplungen über die gesamte Länge eines kurzen Abschnitts, wobei die Kopplungen zwischen allen Kupferleitungen durch Querkapazitäten und –Induktivitäten modelliert werden.
 
* $ϕ_s(f)$ ist das LDS des störenden Senders, woraus sich durch Integration die Sendeleistung $P_{\rm S}$ ergibt. Nimmt man an, dass die gestörte Übertragung das gleiche Sendesignal und damit auch das gleiche LDS $ϕ_s(f)$ wie der Störer verwendet, so wird deutlich, dass durch eine Erhöhung von $P_{\rm S}$ lediglich der (relative) Einfluss des thermischen Rauschens $(N_0/2)$ vermindert wird.
 
*Der das Nahnebensprechen quantifizierende Faktor $K_{\rm NEXT}$ hängt stark vom Adernabstand ab, ebenso vom Unsymmetriegrad entlang des Kabels. Dagegen ist dieser Faktor $K_{\rm NEXT}$ nahezu unabhängig vom Leiterdurchmesser $d$ und von der Leitungslänge $l$.
 
*Das Produkt $K_{\rm NEXT} · f$ (dimensionslos) ist im gesamten Betriebsbereich der Leitung, zum Beispiel für alle Frequenzen $0 ≤ f ≤$ 30 MHz, stets sehr viel kleiner als 1. Die Nebensprechstörung steigt mit der Frequenz stark (das heißt mit Exponent 1.5) an.
 
*In [PW95]<ref name="PW95"/> werden nach einer Messreihe über 40 Doppeladern für die Frequenz $f =$ 10 MHz folgende Werte genannt (für $f =$ 30 MHz sind diese Werte noch mit $3^{3/2} ≈ 5.2$ zu multiplizieren):
 
:'''1.''' ungünstigster Fall: $|H_{\rm NEXT}(f = 10 MHz)|^2 ≈$ 0.001,
 
  
:'''2.''' Mittelung über 40 Adern: $|H_{\rm NEXT}(f = 10 MHz)|^2 ≈$ 0.0004.
+
[[Aufgaben:Exercise_4.6:_k-parameters_and_alpha-parameters| Exercise 4.6:&nbsp; $k$&nbsp; parameters&nbsp; and&nbsp; $\alpha$&nbsp; parameters]]
*Die Werte gelten für das Imvierer–Nahnebensprechen (störender Sender und gestörter Empfänger im gleichen Sternvierer). Nahnebensprechstörungen zwischen weiter entfernten Adern weisen zwar die gleiche Frequenzabhängigkeit auf, sind aber kleiner als das Imvierer–Nahnebensprechen:
 
:'''1.''' Nahnebensprechen zwischen benachbarten Sternvierern um ca. 5 dB,
 
  
:'''2.''' Nahnebensprechen zwischen benachbarten Grundbündeln um ca. 10 dB,
+
[[Aufgaben:Exercise_4.6Z:_ISDN_Supply_Lines|Exercise 4.6Z:&nbsp; ISDN Supply Lines]]
  
:'''3.''' Nahnebensprechen zwischen nicht benachbarten Grundbündeln um ca. 25 dB.  
+
[[Aufgaben:Exercise_4.7:_Copper_Twin_Wire_0.5_mm| Exercise 4.7: Copper Twin Wire 0.5 mm]]
  
 +
[[Aufgaben:Exercise_4.8:_Near-end_and_Far-end_Crosstalk_Disorders| Exercise 4.8:&nbsp; Near-end and Far-end Crosstalk Disorders]]
  
Um solche Nahnebensprechstörungen zu vermeiden oder zumindest zu vermindern, werden benachbarte Doppeladern häufig mit ganz unterschiedlichen Signalen (analoge Telefonie, ISDN, DSL oder andere breitbandige Dienste) belegt, die möglichst auch noch unterschiedliche Frequenzbänder benutzen. Durch geschickte Auswahl der Doppeladern können nun benachbarte Adern mit Signalen belegt werden, deren Spektren möglichst wenig überlappen, wodurch die Nebensprechstörungen vermindert werden.
 
  
==Quellenverzeichnis==
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==References==
 
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Latest revision as of 19:52, 28 November 2023

Access network of a telecommunications system


In a telecommunications system,  a distinction is made between

Local loop area for ISDN
  • the long-distance and regional network,  and
  • the  »local loop area«,


which are separated from each other by the  »local exchange«. 

The graph shows the network infrastructure for  $\text{$\rm ISDN$}$  $($»Integrated Services Digital Network«$)$.  Originally,  the entire telephone network was based on copper lines.  In the mid-1980s,  however,  the  $($mainly coaxial$)$  copper cables were replaced by optical fiber for long-distance traffic,  as the steadily growing demand for bandwidth could only be met with optical transmission technology.

  • Due to the immensely high installation costs,  optical fibers in the local loop area are still not economically viable today  $($2009$)$,  although plans for  »Fiber–to–the–Building«  $\rm (FttB)$  and  »Fiber–to–the–Home«  $\rm (FttH)$  have long been in the pipeline.
  • Instead,  over the past twenty years,  the path has been taken to provide sufficient capacity via the conventional access network based on copper lines by developing high-rate transmission systems such as  $\text{$\rm DSL$}$  $($»Digital Subscriber Line«$)$.


$\text{Example 1:}$  In Germany,  the so-called  »last mile»   $($⇒   the local loop area$)$  is shorter than four kilometers on average in the country,  and in urban areas  $90\%$  are even shorter than  $\text{2.8 km}$. 

Bundling and twisting of copper wires

The local loop area is usually structured as follows:

  • The  »main cable«  with up to  $2000$  pairs as a connection between the local exchange and the cable branch,
  • the  »branch cable«  between the cable branch and the final branch,  with up to  $300$  pairs and significantly shorter than a main cable  $($maximum  $\text{500 m)}$,
  • the  »house connection cable«  between the terminal box and the network termination box at the subscriber with two pairs of wires.


To reduce crosstalk on neighboring line pairs due to inductive and capacitive couplings and to increase the packing density,  two double wires are twisted into a so-called  »star quad». 

The diagram below shows such a star quad and a bundled cable.

  • Here,  five such quads each are combined to form a basic bundle,  and five basic bundles each are combined to form a main bundle.
  • This thus contains  $50$  twin pairs with polyethylene  $\rm (PE)$  insulation.


Attenuation function of two-wire lines


The attenuation function  $α(f)$  $($per unit length$)$  and the wave impedance  $Z_{\rm W}(f)$  of twisted pairs in real laid cables deviate to a greater or lesser extent from the theory presented in the chapter   »Some Results from Line Transmission Theory«.  Reasons for this are:

Attenuation function of two-wire lines of different diameters
  1. non-consideration of complex processes of eddy current formation and current displacement,
  2. inhomogeneities in cable structure in spliced cable sections.


Various network operators have measured  $α(f)$  and  $Z_{\rm W}(f)$  and derived empirical equations from them.   We refer here to the work of M. Pollakowski and H.W. Wellhausen of the Fernmeldetechnisches Zentralamt der Deutschen Bundespost in Darmstadt documented in  [PW95][1].

They determined for different line diameters  $d$  among other things the empirical attenuation function from forty measurements each in the frequency range up to  $\text{30 MHz}$  according to the equation

$$\alpha (f) = k_1 + k_2 \cdot (f/{\rm MHz})^{k_3} \hspace{0.05cm}.$$

The graph shows the measurement results:

  • $d = 0.35 \ {\rm mm}$:   $k_1 = 7.9 \ {\rm dB/km}, \hspace{0.2cm}k_2 = 15.1 \ {\rm dB/km}, \hspace{0.2cm}k_3 = 0.62$,
  • $d = 0.40 \ {\rm mm}$:   $k_1 = 5.1 \ {\rm dB/km}, \hspace{0.2cm}k_2 = 14.3 \ {\rm dB/km}, \hspace{0.2cm}k_3 = 0.59$,
  • $d = 0.50 \ {\rm mm}$:   $k_1 = 4.4 \ {\rm dB/km}, \hspace{0.2cm}k_2 = 10.8 \ {\rm dB/km}, \hspace{0.2cm}k_3 = 0.60$,
  • $d = 0.60 \ {\rm mm}$:   $k_1 = 3.8 \ {\rm dB/km}, \hspace{0.2cm}k_2 = \hspace{0.25cm}9.2 \ {\rm dB/km}, \hspace{0.2cm}k_3 = 0.61$.


One can see from this representation:

  1. The attenuation function per unit length   ⇒   $α(f)$  and the attenuation function   ⇒  ${\rm a}_{\rm K}(f) = α(f) · l$  depend significantly on the cable diameter.  The cables laid since 1994 with  $d = 0.35 \ \rm (mm)$  and  $d = 0.5$  have about  $10\%$  larger attenuation than the older cables with  $d = 0.4$  and  $d= 0.6$.
  2. However,  this smaller diameter,  justified by the manufacturing and laying costs,  significantly reduces the range  $l_{\rm max}$  of the transmission systems used on these lines,  so that in the worst case expensive  »intermediate regenerators«  have to be used.
  3. However,  the transmission methods commonly used today for copper lines,  occupy only a relatively narrow frequency band,  e.g.   $120\ \rm kHz$  for  $\text{$\rm ISDN$}$  $($»Integrated Services Digital Network«$)$  and about  $1100 \ \rm kHz$  for $\text{$\rm DSL$}$  $($»Digital Subscriber Line«$)$. 
  4. For  $f = 1 \ \rm MHz$,  the attenuation function per unit length for a  $0.4 \ \rm mm$  cable is about  $20 \ \rm dB/km$,  so that even with a cable length of  $l = 4 \ \rm km$  the attenuation value with these systems does not exceed  $80 \ \rm dB$.
  5. One exception is  $\text{$\rm VDSL$}$  $($»Very High Data Rate Digital Subscriber Line«$)$,  which is offered in Germany by Deutsche Telekom in larger cities.  Here,  the frequency range goes up to  $30 \ \rm MHz$. 
  6. For this reason,  fiber optic connections were laid right up to the cable branch in order to keep the length short that still has to be bridged with copper.  This is known as  »Fibre–to–the–Cabinet«  $\rm (FttC)$.

Conversion between  $k$  and  $\alpha$  parameters

To calculate the frequency response  $H_{\rm K}(f)$,  one should always start from the measured attenuation function per unit length:

$$\alpha (f) = k_1 + k_2 \cdot (f/f_0)^{k_3}= \alpha_{\rm I} (f) \hspace{0.05cm}, \hspace{0.2cm}{\rm with} \hspace{0.15cm} f_0 = 1\,{\rm MHz}.$$
  • If,  on the other hand,  one wishes to determine the associated time function in terms of the impulse response  $h_{\rm K}(t)$,  it is more convenient as shown in the  »section after the next«,  if the attenuation function per unit length can be represented in the form that is also common for coaxial cables:
$$\alpha(f) = \alpha_0 + \alpha_1 \cdot f + \alpha_2 \cdot \sqrt {f}= \alpha_{\rm II} (f).$$
  • As a criterion of this conversion we use that the squared deviation between both functions is minimal in the range from  $f = 0$  to  $f = B$ :
$$\int_{0}^{B} \left [ \alpha_{\rm I} (f) - \alpha_{\rm II} (f)\right ]^2 \hspace{0.1cm}{\rm d}f \hspace{0.3cm}\Rightarrow \hspace{0.3cm}{\rm Minimum} \hspace{0.05cm} .$$
  • It is obvious that  $α_0 = k_1$  will hold.  The parameters  $α_1$  and  $α_2$  depend on the desired bandwidth  $B$.  According to  $\text{Exercise 4.6}$,  they are:
$$\begin{align*}\alpha_1 & = 15 \cdot (B/f_0)^{k_3 -1}\cdot \frac{k_3 -0.5}{(k_3 + 1.5)(k_3 + 2)}\cdot \frac {k_2}{ {f_0} }\hspace{0.05cm} ,\\ \alpha_2 & = 10 \cdot (B/f_0)^{k_3 -0.5}\cdot \frac{1-k_3}{(k_3 + 1.5)(k_3 + 2)}\cdot \frac {k_2}{\sqrt{f_0} }\hspace{0.05cm} .\end{align*}$$

$(1)$  For  $k_3 = 1$  $($frequency-proportional attenuation function per unit length$)$,  the $\alpha$–parameters logically result in

$$\alpha_1 = {k_2}/{ {f_0} }\hspace{0.05cm} ,\hspace{0.2cm} \alpha_2 = 0\hspace{0.05cm} ,$$

$(2)$  For  $k_3 = 0.5$  the following coefficients are obtained:

$$\alpha_1 = 0\hspace{0.05cm} ,\hspace{0.2cm} \alpha_2 = {k_2}/{\sqrt{f_0} }\hspace{0.05cm}.$$
In this case,  $α(f)$  increases with the square root of the frequency.  This results in the same curve as for a coaxial cable,  where the well-known skin effect dominates.


In the following,  three examples will illustrate how the underlying bandwidth  $B$  influences the results of this conversion.

$\text{Example 2:}$  For this graph we assume the line length  $l = 1 \ \rm km$  and the diameter  $d = 0.4 \ \rm mm$,  so that the following applies:

$$k_1 = 5.1 \ \rm dB/km, \ k_2 = 14.3 \ \rm dB/km, \ k_3 = \ 0.59.$$

For this case the following graph shows

  • the attenuation  ${\rm a_K}(f)$  approximated by  $α_0,  α_1$,  $α_2$  $($blue curve$)$
  • compared to the   ${\rm a_K}(f)$  curve according to  $k_1,  k_2,  k_3$  $($red curve$)$.
Approximation of  $k$–parameters  by  $\alpha$–parameters

The three diagrams are valid for the bandwidths  $B = 10 \ \rm MHz$,  $B = 20 \ \rm MHz$  and  $B = \ \rm 30 \ MHz$.

  • The determined coefficients  $α_1$  and  $α_2$  are indicated.
  •  $α_0 = k_1 = 5.1 \ \rm dB/km$  is always valid.


One recognizes from these representations:

  1. Even with the largest approximation range  $(B = 30 \ \rm MHz)$,  the blue curve  $($with  $α_0, \ α_1, \ α_2)$  approximates the red curve  $($described by  $k_1, \ k_2, \ k_3)$  very well.
  2. For smaller bandwidth  $(B = 20 \ \rm MHz$  or  $B = 10 \ \rm MHz)$  the approximation in the range  $0≤ f ≤ B$  is even better,  but now distortions occur for  $f > B$ .
  3. The attenuation value  $a_{\rm K}(f = 30 \ \rm MHz) ≈ 112.2 \ \rm dB$  is composed as follows for the considered two-wire cable:
        $4.5\%$  is due to the coefficient  $α_0$  $($ohmic losses$)$,
        $23.5\%$  to the  $f$–proportional component  $α_1$  and
        $72\%$  to the coefficient  $α_2$.
  4. In comparison, the standard coaxial cable  $\text{2.6/9.5 mm}$  exhibits comparable attenuation  $(≈ 112 \ \rm dB)$  only at a length of  $l = 8.7 \ \rm km$,  with most of the attenuation  $(98.9\%)$  coming from the skin effect  $(α_2)$.


In the opposite direction  $(α_1, \ α_2 ⇒ k_2, \ k_3)$  the conversion rule for the exponent is:

$$k_3 = \frac{H + 0.5} {H +1}, \hspace{0.4cm}\text{with auxiliary: }H = \frac{2} {3} \cdot \frac{\alpha_1 \cdot \sqrt{f_0} }{\alpha_2} \cdot \sqrt{B/f_0}.$$

With this result,  $k_2$  can be calculated using either of the two equations given above.


Impulse response of a two-wire line


With this coefficient conversion  $(k_1, \ k_2, \ k_3) \ \ ⇒ \ \ (α_0, \ α_1, \ α_2)$  we can now write for the  »total frequency response«  of a two-wire line:

$$H_{\rm K}(f) = H_{\alpha 0}(f) \cdot H_{\alpha 1}(f) \cdot H_{\beta 1}(f)\cdot H_{\alpha 2}(f) \cdot H_{\beta 2}(f) \hspace{0.05cm}.$$

Here,  the following abbreviations are used:

$$\begin{align*} H_{\alpha 0}(f) & = {\rm e}^{-\alpha_0 \hspace{0.05cm} \cdot \hspace{0.05cm} l}= {\rm e}^{-{\rm a}_0}\hspace{0.05cm},\hspace{0.2cm} {\rm a}_0= \alpha_0\hspace{0.15cm}{\rm (in \hspace{0.15cm}Np) }\cdot l,\\ H_{\alpha 1}(f) & = {\rm e}^{-\alpha_1 \cdot f \hspace{0.05cm} \cdot \hspace{0.05cm}l}= {\rm e}^{-{\rm a}_1 \cdot 2f/R}\hspace{0.05cm},\hspace{0.2cm} {\rm a}_1 = \alpha_1\hspace{0.15cm}{\rm (in \hspace{0.15cm}Np) }\cdot l \cdot {R}/{2} \hspace{0.05cm}, \\ H_{\beta 1}(f) & = {\rm e}^{-{\rm j} \hspace{0.05cm} \cdot \hspace{0.05cm} \beta_1 \cdot f \hspace{0.05cm} \cdot \hspace{0.05cm}l} = {\rm e}^{-{\rm j} \hspace{0.05cm} \cdot \hspace{0.05cm} 2 \pi \cdot f \hspace{0.05cm} \cdot \hspace{0.05cm}\tau_{\rm P}} \hspace{0.05cm},\hspace{0.2cm} \tau_{\rm P} = {\beta_1\hspace{0.15cm}{\rm (in \hspace{0.15cm}rad) }\cdot l }/({2 \pi}) \hspace{0.05cm}, \\ H_{\alpha 2}(f) & = {\rm e}^{-\alpha_2 \hspace{0.05cm}\cdot \hspace{0.05cm}\sqrt{f} \hspace{0.05cm} \cdot \hspace{0.05cm}l}= {\rm e}^{-{\rm a}_2 \hspace{0.05cm}\cdot \hspace{0.05cm}\sqrt{2f/R}}\hspace{0.05cm},\hspace{0.2cm} {\rm a}_2 = \alpha_2\hspace{0.15cm}{\rm (in \hspace{0.15cm}Np) }\cdot l \cdot \sqrt{R/2} \hspace{0.05cm}, \\ H_{\beta 2}(f) & = {\rm e}^{-{\rm j} \hspace{0.05cm} \cdot \hspace{0.05cm}\beta_2 \hspace{0.05cm} \cdot \hspace{0.05cm}\sqrt{f} \hspace{0.05cm} \cdot \hspace{0.05cm}l}= {\rm e}^{-{\rm j} \hspace{0.05cm} \cdot \hspace{0.05cm} b_2 \hspace{0.05cm}\cdot \hspace{0.05cm}\sqrt{2f/R}}\hspace{0.05cm},\hspace{0.2cm} b_2 = \beta_2\hspace{0.15cm}{\rm (in \hspace{0.15cm}rad) }\cdot l \cdot \sqrt{R/2} \hspace{0.05cm} \end{align*}$$

The meaning of the quantities implicitly defined here will be discussed a little later.

⇒   We proceed here first quite formally.  According to the  »convolution theorem«,  the resulting impulse response is the  »Fourier retransform«  of  $H_{\rm K}(f)$:

$$h_{\rm K}(t) = h_{\alpha 0}(t) \star h_{\alpha 1}(t) \star h_{\beta 1}(t)\star h_{\alpha 2}(t) \star h_{\beta 2}(t) \hspace{0.05cm},$$
$$h_{\alpha 0}(t) \quad \circ\!\!-\!\!\!-\!\!\!-\!\!\bullet\quad H_{\alpha 0}(f) \hspace{0.05cm},\hspace{0.2cm} h_{\alpha 1}(t) \circ\!\!-\!\!\!-\!\!\!-\!\!\bullet\quad H_{\alpha 1}(f) \hspace{0.05cm},\hspace{0.2cm} {\rm etc.}$$

These five components are now to be considered separately,  with the numerical results referring to

  • a digital transmission system with bit rate  $R = 30 \ \rm Mbit/s$  and
  • a two-wire line with dimensions  $d = 0.4 \ \rm mm$  and  $l = 1 \ \rm km$. 


Thus,  the  $α$–coefficients in Neper  $\rm (Np)$  are:

$$\alpha_0 = 0.59\, \frac{ {\rm Np} }{ {\rm km} } \hspace{0.05cm}, \hspace{0.2cm} \alpha_1 = 0.10\, \frac{ {\rm Np} }{ {\rm km \cdot MHz} }\hspace{0.05cm}, \hspace{0.2cm} \alpha_2 = 1.69\, \frac{ {\rm Np} }{ {\rm km \cdot \sqrt{MHz} } } \hspace{0.05cm}.$$

The phase function per unit length of this line is also given in  [PW95][1]:

$$b_{\rm K}(f) = \beta_1 \cdot f + \beta_2 \cdot \sqrt {f}\hspace{0.05cm}, \hspace{0.2cm} \beta_1 = 32.9\, \frac{ {\rm rad} }{ {\rm km \cdot MHz} }\hspace{0.05cm}, \hspace{0.2cm} \beta_2 = 2.26\, \frac{ {\rm rad} }{ {\rm km \cdot \sqrt{MHz} } }\hspace{0.05cm}.$$

The symbol duration  $T = 1/R ≈ 33 \ \rm ns$  is suitable as a normalization quantity of time.

Interpretation and manipulation of the individual impulse responses


Now the five impulse response components  $h_{α0}(t), \ h_{α1}(t), \ h_{α2}(t), \ h_{β1}(t)$  and  $h_{β2}(t)$  are interpreted:

(1)   The first term resulting from the ohmic losses  $($frequency-independent attenuation$)$  leads to a Dirac delta function with weight  $K$,  so that the convolution with  $h_{α0}(t)$  can be replaced by the multiplication with  $K = {\rm e}^{–0.59} ≈ 0.55$:

$$h_{\alpha 0}(t) = K \cdot \delta(t) \hspace{0.25cm}{\rm with}\hspace{0.25cm} K = {\rm e}^{-{\rm a}_0}\hspace{0.45cm}\Rightarrow\hspace{0.45cm} h_{\rm K}(t) = h_{\alpha 0}(t) \star h_{\rm Rest}(t) = K \cdot h_{\rm Rest}(t)\hspace{0.05cm}.$$

(2)   $H_{α1}(f)$  is a real and even function of frequency,  so the Fourier retransform is also real and symmetric at  $t =0$:

$$H_{\alpha 1}(f) = {\rm e}^{-2\cdot{\rm a}_1 \cdot |f/R|} \quad \bullet\!\!-\!\!\!-\!\!\!-\!\!\circ\quad h_{\alpha 1}(t)= \frac{1}{T} \cdot \frac{{\rm a}_1}{{\rm a}_1^2 + \pi \cdot (t/T)^2}\hspace{0.05cm}, \hspace{0.2cm} {\rm a}_1 \hspace{0.15cm}{\rm in \hspace{0.15cm}Np } \hspace{0.05cm}.$$
With the exemplary numerical values  $α_1 = 0.1 \ \rm Np/(km · MHz)$,   $l = 1 \ \rm km$,   $R = 30 \ \rm MHz$   ⇒   ${\rm a}_1 = 1.5 \ \rm (Np)$,  we obtain for the maximum of this fraction:
$$h_{α1}(t = 0) = 1/{\rm a}_1 = 2/3 · 1/T.$$

(3)   As for the coaxial cable systems,  $H_{β1}(f)$  does not lead to any signal distortion,  but only to a time delay by the  »phase delay time«:

$$τ_{\rm P} ≈ 5.24 \ \rm µs \hspace{0.2cm} ⇒ \hspace{0.2cm} τ_{\rm P}/T ≈ 157.$$

(4)   Let us turn to the combined consideration of the  $H_{α2}(f)$  and  $H_{β2}(f)$  components,  which is described in the time domain by the common impulse response  $h_2(t)$:

$$H_{\alpha 2}(f) \cdot H_{\beta 2}(f) \quad \bullet\!\!-\!\!\!-\!\!\!-\!\!\circ\quad h_{2}(t) \hspace{0.05cm}.$$

(5)   To apply the results of the chapter  »Properties of Coaxial Cables«,  we replace  $β_2$  by  $α_2 · \rm rad/Np$  and  $b_2$  by  ${\rm a}_2 · \text{rad/Np}$,  so that  ${\rm a}_2$  and  $b_2$  have the same numerical value.  As an example, we substitute here:

$$ b_2 = 8.75\, {\rm rad}\hspace{0.2cm} \Rightarrow \hspace{0.2cm} b_2 = 6.55 \,{\rm rad}\hspace{0.05cm}.$$
One thus reduces the constant  $β_2 = 2.26 \ \rm rad/(km · \sqrt{MHz})$  to  $β_2 = 1.69 \ \rm rad/(km · \sqrt{MHz})$ .

(6)   Before we unnecessarily lead the reader to consider whether this approximation is indeed valid or not,  we freely admit right away that this assumption is the weak point of our reasoning.  A discussion of this faulty assumption follows in the  »next secction«.

(7)   Now that  ${\rm a}_2$  and  $b_2$  have the same numerical values,  we can further use the equation given in the chapter  »Properties of Coaxial Cables«,  substituting  $\rm a_∗$  for  $\rm a_2$ :

$$h_{\rm 2}(t ) = \frac {1/T \cdot {\rm a_2}}{\pi \cdot \sqrt{2 \cdot(t/T)^3}}\cdot {\rm e}^{ - {{\rm a_2}^2}/( {2\pi \hspace{0.05cm}\cdot \hspace{0.05cm} t/T})} \hspace{0.05cm}, \hspace{0.2cm} {\rm a}_2\hspace{0.15cm}{\rm in \hspace{0.15cm}Np} \hspace{0.05cm}.$$

(8)   The total impulse response without consideration of the phase delay time is thus given by

$$h_{\rm K}(t + \tau_{\rm P}) = K \cdot h_{\alpha 1}(t) \star h_{2}(t)\hspace{0.05cm}.$$
By shifting  $τ_{\rm P}$  to the right, the searched function  $h_{\rm K}(t)$  is obtained.  In the following example,  this procedure is illustrated by graphs.


$\text{Example 3:}$  For the following graphs,  a two-wire line with dimensions  $d = 0.4 \ \rm mm$,  and  $l = 1 \ \rm km$  is still assumed.  Please note the different ordinate scaling of the three diagrams in the graph.

  1. The bit rate is  $R = 30 \ \rm Mbit/s$   ⇒   symbol duration  $T ≈ 33\ \rm ns$.
  2. We assume the quantities given in the yellow box,  calculated in the last section.
  3. For this purpose,  the  $b_2$ value is changed from  $8.75 \ \rm rad$  to  $6.55 \ \rm rad$  to match the  ${\rm a}_2$ value.
  4. The effects of this measure are interpreted in the next section.
For calculating the impulse response of a two-wire line
  • On the top right  $h_1(t) = h_{\rm α1}(t + τ_{\rm P})$  is shown. This component is due to the  $α_1$  and  $β_1$  coefficients. $h_1(t)$  is a symmetric function with respect to the phase delay time  $τ_{\rm P}$  with the maximum value  $(1.5T)^{–1}$, where the  $1/(1 + t^2$) decay is rapidly decreased at  $ \pm 5T$  $($right and left of  $τ_{\rm P})$.
  • The lower left diagram shows the signal component  $h_2(t)$,  due to the coefficients  $α_2$  and  $β_2$.  $h_2(t)$  is identical to the  »coaxial cable impulse response«  $($ignoring the delay time$)$.  Characteristic cable attenuation is  ${\rm a}_*=6.55 \ \rm Np$  $(56.9 \ \rm dB)$.
  • The red curve represents the convolution product  $h_1(t) ∗ h_2(t)$.  It can be seen that the waveform is essentially fixed by  $h_2(t)$.  However,  convolution with  $h_1(t)$  leads to a  (slight)  distortion of the waveform in addition to an amplitude loss of about  $10\%$.
  • The resulting impulse response  $h_{\rm K}(t)$  of the 0.4mm two-wire line is shown as a blue curve in the lower right diagram.  The difference to the convolution product  $h_1(t) ∗ h_2(t)$  drawn in red results from the influence of the DC signal attenuation $($coefficient  $α_0)$.



Discussion of the approximate solution found


$\text{Example 4:}$  The following graph shows the (normalized) impulse responses  $T · h_{\rm K}(t)$  for two exemplary copper cables,  namely for

Impulse response approximations of normal coaxial cable (top)
and  0.4 mm  two-wire cable (bottom)

$(1)$  the  »standard coaxial cable 2.6/9.5 mm«  at  $\text{10.1 km}$  length  $($above$)$,  where:

$$a_0 = 0.016\,{\rm Np}\hspace{0.05cm}, \hspace{0.15cm} a_1 = 0.020\,{\rm Np}\hspace{0.05cm}, \hspace{0.15cm} a_2 = 6.177\,{\rm Np}\hspace{0.05cm}, $$
$$\tau_{ {\rm P} }/T = 350\hspace{0.05cm}, \hspace{0.15cm} b_2 = 6.177\,{\rm rad}\hspace{0.05cm};$$

$(2)$  the    »0.4 mm two-wire line«  with length  $\text{1.8 km}$  $($below$)$ with the parameters

$$a_0 = 1.057\,{\rm Np}\hspace{0.05cm}, \hspace{0.15cm} a_1 = 0.147\,{\rm Np}\hspace{0.05cm}, \hspace{0.15cm} a_2 = 6.177\,{\rm Np}\hspace{0.05cm}, $$
$$\tau_{ {\rm P} }/T = 94\hspace{0.05cm}, \hspace{0.15cm} b_2 = 8.260\,{\rm rad}\hspace{0.05cm}.$$


$\rm Note:$

  • These values are valid for bit rate  $R = 10 \ \rm Mbit/s$.
  • Thus,  the time normalization  $T = 1/R= 0.1 \ \rm µ s$.
  • The two cable lengths were chosen to give exactly equal  $a_2$ parameters.
  • For the two-wire cable,  the phase value  $b_2 ⇒ b_2\hspace{0.01cm}'$  was adjusted to give equal values for  $b_2\hspace{0.05cm}' = 6.177 \ \rm rad$  and  $a_2 = 6.177 \ \rm Np \ (≈ 53 \ dB)$  as for the coaxial cable.


The blue curves show the approximations when the  $a_0, \ a_1$ and  $b_1$ terms are neglected.  Due to the  $b_2 ⇒ b_2\hspace{0.01cm}'$  phase matching for the two-wire line,  the curves are nearly the same.  The maximum of about  $3.8\%$  is at about  $t/T = 4$  $($different time scales in both diagrams!$)$.

The red curves also take into account the  $a_0, \ a_1$ and  $b_1 $  terms.  The red curve of the coaxial cable is the actual  $($normalized$)$  impulse response  $T · h_{\rm K}(t)$.

From these representations,  one can further see:

  1. For the coaxial cable,  the  $a_0$ term and the  $a_1 $  term can be neglected.  The resulting relative error is only  $3.5\%$.
  2. However, the phase delay time  $τ_{\rm P}$, i.e. the  $b_1$ term,  cannot be neglected.  For the coaxial cable this gives  $τ_{\rm P}/T ≈ 350$,  while for the two-wire line it is  $τ_{\rm P}/T ≈ 94$   $($note the different time scales$)$.
  3. For the two-wire line $($below$)$,  do not neglect DC signal attenuation  $(a_0)$  and transverse loss  $(a_1)$ :  
    The red approximation  $T · h_{\rm K}\hspace{0.01cm}'(t)$  is  $70\%$  lower than the blue one and also slightly wider.


$\text{Example 5:}$  This example shows approximations of the impulse response of a two-wire line  $($length $\text{1.8 km}$,  diameter $\text{0.4 mm)}$,  so that according to  [PW95][1].  the following parameters can be assumed:

For the impulse response of a  $\text{0.4 mm}$  two-wire cable
$$a_0 = 1.057\,{\rm Np}\hspace{0.05cm}, \hspace{0.15cm} a_1 = 0.147\,{\rm Np}\hspace{0.05cm}, \hspace{0.15cm} a_2 = 6.177\,{\rm Np}\hspace{0.05cm}, $$
$$\tau_{ {\rm P} }/T = 94\hspace{0.05cm}, \hspace{0.15cm} b_2 = 8.260\,{\rm rad}\hspace{0.05cm}.$$

The upper diagram – equal to the lower diagram in  $\text{Example 4}$ – shows two approximations

  • with neglection of the  $a_0, \ a_1$  and  $b_1$ terms  $($blue curve$)$,
  • with consideration of the  $a_0, \ a_1$  and  $b_1$ terms  $($red curve$)$.


For this upper diagram,  we further adopted the  $a_2$  coefficient given in  [PW95][1]  and lowered the mentioned coefficient  $b_2 = 8.260 \ \rm rad$  to  $b_2\hspace{0.01cm}' = 6.177 \ \rm rad$ .

$\text{Note:}$   In contrast to the coaxial cable in  $\text{Example 3}$,  because of  $b_2\hspace{0.01cm}' ≠ b_2$  the red curve  $T · h_{\rm K}\hspace{0.01cm}'(t)$  is also only an approximation,  which is indicated in the graph by the apostrophe.

Without the correction  $b_2\hspace{0.01cm}' = a_2 · \text{rad/Np}$,  the  »Hilbert transform«,  which establishes the relationship between magnitude and phase in real and thus establishes  »minimum-phase systems«,  would not be satisfied.  Therefore,  it would result in a noncausal impulse response.

We therefore believe that even for a two-wire line, the two parameters  $a_2$  and  $b_2$  should have equal numerical values.

We now consider a second approach,  shown in the diagram below:

  1. Here,  the phase coefficient  $b_2 = 8.260 \ \rm rad$  given in  [PW95][1]  was kept.
  2. Instead,  the attenuation coefficient  $a_2 = 6.177 \ \rm Np$  was adjusted to the phase coefficient  $($i.e.,  enlarged$)$:   $a_2\hspace{0.01cm}' = 8.260 \ \rm Np$.
  3. The lower  $($red$)$  impulse response   ⇒   »worst case«  is less than half as high and much wider than the upper impulse response   ⇒   »best case«.
  4. The actual  $($normalized$)$  impulse response  $T \cdot h_{\rm K}\hspace{0.01cm}'(t)$  will probably lie in between.  We do not allow ourselves to make more precise statements.

Crosstalk on two-wire lines


For transmission systems over two-wire lines,  the same  »block diagram«  can be assumed as for the coaxial cable systems,  where now

  • for the frequency response  $H_{\rm K}(f)$  and the impulse response  $h_{\rm K}(t)$  the equations given in this section are to be used,
  • white Gaussian noise  $N_0$  is no longer the dominant cause of stochastic impairments, 
  • but  »crosstalk«  due to capacitive or inductive coupling of adjacent pairs now predominates.


By twisting the wire pairs of a star quad as well as the basic and main bundles according to the diagram at the end of the chapter  »Access network of a telecommunications system«  an attempt is made to achieve on average a mutual coupling as symmetrical as possible between all wire pairs.  Due to unavoidable manufacturing tolerances,  however,  a slight asymmetry always remains.  This causes:

  • In addition to its  own  useful signal,  each receiver input also receives  $($usually only small$)$  signal components from neighboring wire pairs.
  • The induced signal components represent an additional stochastic impairment for the useful signal, 
    which together with thermal noise results in the resulting interfering signal  $n(t)$.
  • The transmission quality cannot be improved or can only be improved to a very limited extent by increasing the transmitted power, 
    since this measure also increases the crosstalk interference.
On the emergence of crosstalk


As the diagram illustrates,  a distinction is made between

  • »Near-End Crosstalk«  $\rm (NEXT)$:
    The interfering transmitter feeds its signal at the same end of the cable where the receiver under consideration is placed.
  • »Far–End Crosstalk«  $\rm (FEXT)$:
    Interfering transmitter and interfering receiver are located at opposite ends of the cable.


In the case of  »FEXT«,  the interference accumulates over the entire cable length,  but is also greatly attenuated by the cable attenuation.  For bundled cables in the local loop area,  »in quad crosstalk«  thus results in orders of magnitude greater noise than  »FEXT«,  and even  »NEXT«  from adjacent cores can usually be neglected.

We therefore consider only  »Near-End Crosstalk« $\text{(NEXT)}$  in the following. 

$\text{Without derivation:}$ 

In this case,  the  »power-spectral density»  $\rm (PSD)$  of the noise signal  $n(t)$  can be represented as follows,  taking into account the unavoidable thermal noise  $(N_0/2)$:

$${\it \Phi}_n(f) = {N_0}/{2}+{\it \Phi}_{\rm NEXT}(f) \hspace{0.05cm},\hspace{0.3cm}{\rm with} \hspace{0.3cm}{\it \Phi}_{\rm NEXT}(f) = {\it \Phi}_{s}(f) \cdot\vert H_{\rm NEXT}(f)\vert ^2 \approx {\it \Phi}_{s}(f) \cdot [K_{\rm NEXT} \cdot f]^{3/2}\hspace{0.05cm}.$$


It should be noted about this equation:

  1. The equation is obtained by integrating the local couplings over the entire length of a short section,  where the couplings between all copper lines are modeled by cross capacitances and inductances.
  2. ${\it \Phi}_s(f)$  is the power-spectral density of the interfering transmitter,  from which the transmitted power  $P_{\rm S}$  is obtained by integration.  Assuming that the interfered transmission uses the same transmitted signal and thus the same  ${\it \Phi}_s(f)$  as the interferer,  it is clear that increasing  $P_{\rm S}$  only reduces the  $($relative$)$  influence of thermal noise  $(N_0/2)$.
  3. The factor  $K_{\rm NEXT}$  quantifying the near-end crosstalk depends strongly on the core spacing,  as well as on the degree of unbalance along the cable.  In contrast,  this factor  $K_{\rm NEXT}$  is almost independent of the conductor diameter  $d$  and the cable length  $l$.
  4. The  $($dimensionless$)$  product  $K_{\rm NEXT} · f$  over the entire operating range of the cable,  e.g. for all frequencies  $0 ≤ f ≤ 30 \ \rm MHz$,  is always much smaller than  $1$.  The crosstalk noise increases sharply  $($that is,  with exponent $1.5)$  with frequency.
  5. In  [PW95][1],  the following values are given after a series of measurements over forty pairs for the frequency  $f = 10 \ \rm MHz$  
    $($for  $f = 30 \ \rm MHz$  these values must still be multiplied by  $3^{3/2} ≈ 5.2)$:
          ⇒   Worst case:   $|H_{\rm NEXT}(f = 10 \ \rm MHz)|^2 ≈ 0.001$,
          ⇒   Averaging over 40 cores:   $|H_{\rm NEXT}(f = \ \rm 10 MHz)|^2 ≈ 0.0004$.
  6. This values apply to  »in-four near-end crosstalk«  $($interfering transmitter and interfering receiver in the same star quad$)$.
  7. Near-end crosstalk noise between more distant cores exhibits the same frequency dependence,  but is smaller than  »in-four near-end crosstalk»:
          ⇒   Near-end crosstalk between adjacent star quads by about  $5 \ \rm dB$,
          ⇒   Near-end crosstalk between adjacent ground bundles by about  $10 \ \rm dB$,
          ⇒   Near-end crosstalk between non-adjacent ground bundles by about  $25 \ \rm dB$.


$\text{Conclusion:}$ 

  • In order to avoid or at least to reduce such near-end crosstalk noise,  adjacent pairs of wires are often occupied by completely different signals  $($analog telephony, ISDN, DSL or other broadband services$)$  which also use different frequency bands if possible.
  • By clever selection of the twisted pairs,  adjacent cores can now be occupied with signals whose spectra overlap as little as possible,  thus reducing crosstalk noise.

Exercises for the chapter

Exercise 4.6:  $k$  parameters  and  $\alpha$  parameters

Exercise 4.6Z:  ISDN Supply Lines

Exercise 4.7: Copper Twin Wire 0.5 mm

Exercise 4.8:  Near-end and Far-end Crosstalk Disorders


References

  1. 1.0 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 Pollakowski, P.; Wellhausen, H.-W.: Eigenschaften symmetrischer Ortsanschlusskabel im Frequenzbereich bis 30 MHz. Deutsche Telekom AG, Forschungs- und Technologiezentrum Darmstadt, 1995.