Họ các phương pháp điều chế một sóng mang (Single-carrier modulation) bao gồm điều chế biên độ phase vuông góc QAM (Quadrature Amplitude Modulation) và điều
CO
VDSL
ADSL ONU ONU
chế CAP (Carrierless Amplitude-Phase). Trong điều chế một sóng mang một dòng bit được điều chế thành các ký hiệu bằng cách ánh xạ b bit liên tiếp với b điển hình thường nhỏ hơn hay bằng 8 vào các điểm trong chùm sao sơ đồ điều chế phase biên độ. Những điểm trên chùm sao này sau đó được điều chế, lọc và truyền trên kênh truyền với dải thông biết trước. Hình 2.36 minh hoạ một máy phát tín hiệu QAM dùng cho VDSL với ωc
là tần số sóng mang tính bằng radian. Máy phát CAP cũng tương tự nhưng sóng mang bị triệt và sử dụng các bộ lọc đồng phase, vuông phase thay cho các mạch lọc thông thấp.
Hình 2.36 Sơ đồ khối mạch điều chế một sóng mang QAM
Kênh truyền làm méo tín hiệu truyền đi và làm cho các ký hiệu liên tiếp xuyên nhiễu lẫn nhau bằng một hiện tượng gọi là intersymbol interference (ISI). Ở máy thu, sử dụng một bộ phân đoạn (equalizer) để giảm ISI và vì vậy cải thiện được việc thực hiện hệ thống trong khi vẫn giữ thiết bị ở mức không quá phức tạp. Khả năng của bộ phân đoạn trong việc phục hồi tín hiệu đã truyền phụ thuộc vào nhiều yếu tố như kiểu bộ phân đoạn, độ dài các mạch lọc của nó. Nhìn chung, các bộ phân đoạn phi tuyến thực hiện tốt hơn các bộ phân đoạn tuyến tính và các mạch lọc dài thực hiện tốt hơn các mạch lọc ngắn.
Bộ phân đoạn tốt nhất là bộ phân đoạn hồi tiếp quyết định (DFE: Decision- Feedback Equalizer), là một loại mạch phân đoạn phi tuyến sử dụng 2 mạch lọc và một thiết bị ra quyết định để phục hồi lại tín hiệu đã truyền đi. Hình 2.37 minh hoạ sơ đồ khối đơn giản của một bộ DFE. Bộ dời mức (Slicer) quyết định điểm nào trong các điểm trong chùm sao điều chế là gần với tín hiệu nhận được (có nhiễu) nhất. Sau đó bộ dời mức hồi tiếp lại độ lệch tín hiệu phục hồi so với tín hiệu nhận được để trừ vào tín hiệu nhận được kế tiếp. Về lý thuyết cách này có thể loại trừ một phần ISI. Sau đó bộ lọc hồi tiếp lại đánh giá lượng ISI còn lại. Khi một lần nữa ngõ ra của bộ lọc hồi tiếp được trừ khỏi ngõ ra của bộ lọc nhận tín hiệu thì lượng ISI còn lại cũng triệt tiêu.
Hình 2.37 Sơ đồ khối bộ DFE
Mặc dù DFE là bộ phân đoạn tốt nhất nhưng nó cũng có một vài nhược điểm. Trước tiên, mọi sai lầm của bộ dời mức đều được hồi tiếp và dùng để phát ra sự đánh giá sau này của ISI còn lại. Như vậy lỗi một bit có thể dẫn đến nhiều quyết định lỗi liên tiếp làm giảm đi dự phòng kháng nhiễu của cả hệ thống. Khi càng nhiều lỗi được hồi tiếp về
thì hệ thống càng tồi tệ. Điều này người ta gọi là sự lan truyền lỗi. Để giảm bớt sự lan truyền lỗi của DFE, người ta sử dụng một kỹ thuật gọi là precoding. Precoding loại trừ được lan truyền lỗi nhưng lại đòi hỏi phải thay đổi máy phát dẫn đến tăng công suất phát. Precoding cũng loại trừ cả khả năng của một kỹ thuật cho phép DFE tự cấu hình nhanh chóng khi khởi động mà không cần liên hệ với máy phát gọi là kỹ thuật blind training. Trong phương pháp điều chế nhiều sóng mang (Multi-carrier modulation) một kênh truyền được chia thành nhiều phân kênh độc lập nhau, mỗi kênh có một sóng mang riêng lẻ. DMT (Discrete Multi-Tone) là điều chế nhiều sóng mang thực hiện truyền dẫn rất tốt với độ phức tạp tương đối. Vì DMT mang lại nhiều thuận lợi cho truyền dẫn trên dây xoắn đôi nên DMT đã được tiêu chuẩn hoá cho ADSL trên toàn thế giới. Qua phân tích kế tiếp ta cũng sẽ thấy DMT cũng là sự lựa chọn tốt nhất cho VDSL. Như các phương pháp điều chế nhiều sóng mang khác, máy phát DMT cũng chia dải thông kênh truyền thành nhiều phân kênh (subchannel). Mỗi phân kênh đặc tính hoá bằng tỷ số SNR đo được khi thiết lập kết nối và giám sát liên tục trong quá trình sử dụng. Dòng bit cần mã hoá được mã hoá thành các ký hiệu QAM liên tiếp. Mỗi ký hiệu (symbol) QAM đại diện cho một số bit xác định bởi SNR ở tần số trung tâm của phân kênh, xác suất sai chấp nhận được và tốc độ bit cần truyền. Sau đó các ký hiệu QAM được nhóm lại thành khối, chuyển thành dạng phức và dùng phép biến đổi Fourier rời rạc ngược (IDFT: Inverse Discrete Fourier Transform) để đưa trở về dạng thực. Bộ IDFT thường được thực hiện bằng phép biến đổi Fourier nhanh (FFT: Fast Fourier Transform). Sau bộ IDFT, tín hiệu được chèn vào một số cyclic prefix để loại trừ nhiễu xuyên ký hiệu. Tín hiệu thời gian thực có được được biến đổi từ số sang dạng tương tự để đưa lên kênh truyền.
Hình 2.38 Sơ đồ khối của một cặp máy thu phát DMT
Ở máy thu, tín hiệu nhận được từ kênh truyền được đưa đến bộ biến đổi tương tự sang số, gỡ bỏ các cyclic prefix và được biến đổi ngược trở lại dạng phức nhờ phép biến đổi DFT (Discrete Fourier Transform: phép biến đổi Fourier rời rạc). Mỗi giá trị ở ngõ ra là một số phức đại diện cho biên độ và phase của tần số phân kênh tương ứng. Tập các giá trị phức này, mỗi giá trị đại diện cho một phân kênh gọi là phổ miền tần số (FEQ: Frequency-domain Equalizer). Sau FEQ, một bộ dò không nhớ giải mã các ký hiệu phụ (subsymbol) nhận được. Như vậy, trái ngược với CAP/QAM, các hệ thống DMT không bị ảnh hưởng bởi lan truyền sai do mỗi ký hiệu phụ đều được giải mã độc lập với các ký hiệu phụ khác (trong quá khứ, hiện tại và tương lai). Hình 2.38 minh hoạ sơ đồ khối của một cặp máy phát và máy thu DMT. Ở trạng thái hoạt động ổn định các tỷ số SNR được giám sát bởi máy thu. Khi dò được suy giảm trên một hay nhiều SNR của các phân kênh, máy thu sẽ tính toán và sửa đổi lại sự phân bố bit để đạt được kiểm soát sai tốt hơn. Tùy thuộc vào tỷ số SNR của phân kênh bị suy giảm mà một vài hay toàn bộ bit được truyền trên phân kênh này sẽ chuyển sang một hay nhiều phân kênh khác có khả năng tăng số bit truyền lên (nhờ có tỷ số SNR tốt hơn). Sự thay đổi phân bố bit cần thiết được thông
báo cho máy phát và được thực hiện tại máy phát. Kỹ thuật này gọi là đánh đổi bit (bit swapping) cho phép hệ thống duy trì việc thực hiện gần như hoàn hảo khi điều kiện nhiễu và kênh thay đổi. Giải thuật bit swapping có thể được thiết kế để cung cấp khả năng chống nhiễu tốt nhất ở một mức sai cho phép và tốc độ bit cần thiết.
Như đã mô tả, chất lượng thực hiện của máy thu DFE phụ thuộc vào độ dài của các mạch lọc feedforward filter và feedback filter. Thật không may là các bộ phân đoạn với các bộ lọc ngắn, ít phức tạp lại không thực hiện tốt bằng các bộ lọc dài trên kênh truyền có nhiều nhiễu đột tần hẹp như đường dây điện thoại với cấu hình có nhiều nhánh rẽ. Trong khi đó, DMT hoạt động rất hiệu quả trên các kênh truyền phức tạp như vậy. Vì kênh truyền được phân chia thành nhiều kênh hẹp nên tỷ số SNR trên từng phân kênh là hầu như đồng đều. Những phân kênh nằm trên vùng tần số có tỷ số SNR bị suy hao nhiều bởi các nhánh rẽ hay mức nhiễu cao được dùng để truyền ít bit thông tin hơn các phân kênh có tỷ số SNR lớn. Hơn nữa, trên các đường dây dài suy hao tín hiệu tần số cao, modem DMT sẽ tắt những kênh suy hao quá nhiều không chuyển dữ liệu được. Vì vậy, trên một kênh truyền hệ thống DMT có thể gửi dữ liệu nhiều nhất mà kênh truyền cho phép và chỉ sử dụng những vùng có thể truyền dữ liệu được.
Khả năng kháng nhiễu của CAP/QAM với xâm nhập của sóng vô tuyến gắn chặt với độ dài của bộ lọc feedforward của bộ phân đoạn DFE. Bộ lọc feedforward phải phát ra các notch ở các vùng có nhiễu sóng vô tuyến để giảm khả năng những tác nhân này gây ra sai nhầm trong dời mức. Khi số các notch cần thiết tăng lên thì độ dài của bộ lọc feedforward cũng tăng theo. Một bộ lọc có độ dài cố định chỉ có thể loại bỏ một số nhất định các xuyên nhiễu sóng vô tuyến ở một mức năng lượng nào đó.
Với hệ thống DMT, ảnh hưởng của các nguồn nhiễu không xác định trước được như xâm nhập từ sóng vô tuyến qua không khí: sóng AM hay sóng vô tuyến nghiệp dư bị loại trừ phần nào do kênh truyền đã được phân chia thành những phân kênh hẹp. Một tác nhân gây nhiễu rất hẹp ở ngay tần số trung tâm của phân kênh sẽ chỉ tác động lên phân kênh đó. Dĩ nhiên, hầu hết các tác nhân gây nhiễu đều không quá hẹp và chúng thường cũng không nằm ở tần số trung tâm của phân kênh. Kết quả là các tác nhân gây nhiễu bị băm nhỏ vào nhiều phân kênh. Để loại trừ tác động của nhiễu vô tuyến người ta sử dụng một cửa sổ cho tín hiệu thu được trước khi giải điều chế.
Trong trường hợp nhiều loại nhiễu xung, các hệ thống DMT miễn nhiễm tốt hơn các hệ thống CAP/QAM. Hãng Texas Instruments có một kiểm chứng minh hoạ điều này. Một hệ thống phân chia dải thông từ 0 đến 11.04 MHz thành 256 phân kênh, mỗi phân kênh rộng 43,125 kHz. Trừ đi phần cyclic prefix thì tốc độ ký hiệu còn khả dụng là 40 kHz. Như vậy, mỗi symbol trải dài trên khoảng thời gian 25 µs. Trong khi đó một hệ thống CAP/QAM sử dụng cùng dải thông có tốc độ ký hiệu là 11,04 MHz và thời gian cho mỗi ký hiệu là 90,6 ns. Bây giờ, giả sử một xung điện với độ rộng 5 µs tác động vào kênh truyền có hệ thống VDSL của hãng Texas Instruments hoạt động. Như vậy, nhiều nhất là xung điện này chỉ có thể phá hủy được một phần năm ký hiệu DMT. Đó là do đôi lúc nó phá hủy một phần cuối của ký hiệu nào đó và một phần đầu của ký hiệu kế tiếp. Ở máy thu, khi ký hiệu DMT bị nhiễu tác động được bộ biến đổi Fuorier rời rạc DFT chuyển về miền tần số thì nhiễu xung được trải đều trên toàn bộ các ký hiệu DMT. Về thực chất việc này làm tăng thời gian tác động của nhiễu xung nhưng lại giảm đi năng lượng của nó rất nhiều. Chừng nào năng lượng trung bình trong khoảng thời gian ký hiệu DMT không phá hết thềm nhiễu thì hệ thống còn chưa bị tác động bởi nhiễu. Do vậy, tác động của hầu hết các loại nhiễu xung ngắn hơn thời gian một ký hiệu DMT đều bị máy thu tự động loại bỏ.
Trong khi đó, một nhiễu xung 5 µs sẽ phá hủy đến 55 ký hiệu liên tiếp của hệ thống CAP/QAM hoạt động trong cùng một dải thông với hệ thống VDSL của hãng Texas Instruments. Vì các ký hiệu được giải mã từng ký hiệu một tại máy thu nên các hệ thống này không đưa ra bất cứ một phương pháp bảo vệ chống nhiễu xung cơ bản nào hữu hiệu mà thay vào đó là dựa vào mã sửa sai và kỹ thuật ghép xen kẽ để bảo vệ dữ liệu dưới tác động của nhiễu xung. Tuy nhiên, vì nhiễu xung gây ra lỗi lan truyền trong các bộ DFE nên hiệu quả của các loại mã sửa sai vốn hoạt động sau khi dữ liệu đi ra khỏi bộ DFE giảm đi rất nhiều.
Các hệ thống DMT cũng cung cấp một cách miễn nhiễm nhiễu khác. Mặc dù, nhiễu xung về mặt lý thuyết là không đổi theo miền tần số nhưng trên thực tế hầu hết nhiễu xung có hình dạng riêng. Khi một hệ thống DMT bị tác động bởi nhiễu xung có hình dạng nhất định thì không phải tất cả các phân kênh bị tác động như nhau. Vì mã tự sửa sai được áp dụng cho các phân kênh nên nhiễu xung theo một vài tần số sẽ tăng khả năng sửa sai hơn là trường hợp nhiễu xung có phổ đồng đều. Trong khi đó các hệ thống CAP/QAM lại không có một cơ chế nào tỏ ra tận dụng được trường hợp nhiễu xung có phổ không đồng đều.
Các hệ thống CAP/QAM phải trông cậy vào thềm nhiễu và khả năng thích ứng đúng đắn của các bộ lọc DFE để theo kịp các biến đổi của nhiễu và suy hao trên kênh truyền. Ngược lại, các hệ thống DMT sử dụng kỹ thuật bit swapping và các bộ phân đoạn FEQ để thích ứng với sự thay đổi các hàm truyền đạt hay nhiễu của kênh truyền và điều này không làm ảnh hưởng mấy đến dung lượng đường truyền. Dĩ nhiên là khi dung lượng kênh truyền giảm tới mức không dung nạp nổi tốc độ dữ liệu được thiết lập ban đầu thì cả các hệ thống DMT lẫn CAP/QAM đều thất bại.
Vì các hệ thống CAP/QAM phát dữ liệu trong dải tần rộng hơn rất nhiều so với các kênh phụ của DMT nên tốc độ dữ liệu mà hệ thống CAP/Qam cung cấp rất kém. Nếu tốc độ dữ liệu cần thiết là giữa 2 tốc độ dữ liệu có thể thực hiện được thì hệ thống CAP/QAM phải hỗ trợ bằng tốc độ lớn hơn. Lấy ví dụ, một hệ thống sử dụng dải thông 3,3 MHz để truyền dữ liệu thì tốc độ dữ liệu nhỏ nhất được hỗ trợ là 3 Mbps. Khi thực hiện điều chế 1 bit mỗi tín hiệu thì hệ thống có thể hỗ trợ được tốc độ truyền dữ liệu 3 Mbps, với 2 bit cho mỗi tín hiệu thì hệ thống có thể hỗ trợ được tốc độ truyền dữ liệu 6 Mbps, … Nếu cần tốc độ truyền dữ liệu 10 Mbps thì phải sử dụng điều chế 4 bit trên mỗi tín hiệu để đạt được tốc độ 12 Mbps. Như vậy, ít nhất đã bỏ phí đi 2 Mbps. Trong trường hợp không thuận lợi, khi tỷ số SNR làm cho kênh truyền chỉ có khả năng hỗ trợ tối đa 10 Mbps thì hệ thống phát 12 Mbps sẽ bị nhiễu phá hủy vì đã truyền dữ liệu vượt quá dung lượng của kênh. Với điều kiện kênh truyền như vậy, sự lan truyền sai là vấn đề quan trọng sẽ phá hủy hệ thống.
Trái lại, các hệ thống DMT hỗ trợ các tốc độ truyền dữ liệu rất nhặt vì kênh truyền được chia thành các kênh phụ có dải thông nhỏ hơn nhiều và các bit được bố trí độc lập với các kênh này. Tính nhặt thưa của tốc độ dữ liệu phụ thuộc vào độ rộng các kênh phụ. Nếu một hệ thống sử dụng các kênh phụ có độ rộng dải 32 kHz không kể các cyclic prefix thì khoảng tần số cách nhau nhỏ nhất là 32 kbps. Ví dụ như một hệ thống VDSL của hãng Texas Instruments hỗ trợ khoảng cách nhỏ nhất này là 64 kbps.
Để thực hiện triệt phát xạ sóng điện từ (nghĩa là phải giới hạn mật độ phổ công suất phát ở mức -80 dBm/Hz trong dải tần vô tuyến nghiệp dư), máy phát CAP/QAM phải phát ra các notch cho từng dải tần vô tuyến nghiệp dư mà hệ thống có chồng lấn. Ví dụ, bảng 6.3 và 6.4 chỉ ra rằng các hệ thống CAP/QAM hoạt động ở dải tần từ 1 MHz tới 11 MHz phải phát ra 4 notch trong phổ tín hiệu phát của mình. Ở máy thu, các notch phải được phát ra ở cùng những vị trí này bởi bộ lọc feedforward của bộ DFE để bảo đảm rằng
năng lượng nhận được trong dải tần vô tuyến nghiệp dư không phá hủy tín hiệu mong muốn.
Trong các hệ thống CAP/QAM hoạt động ở dải tần có chồng lấn với các dải tần vô tuyến nghiệp dư, các notch phải được phát ra bằng các mạch lọc. Quy tắc là, độ dài của mạch lọc tăng theo số lượng và độ sâu của các notch. Bởi vì cả các bộ lọc phát và các bộ lọc feedforward DFE phải phát ra các notch trên các dải tần vô tuyến nghiệp dư và các bộ lọc feedforward phải phát thêm các notch mà nhiễu sóng vô tuyến có thể xuất