Cĩ 3 phương pháp điều chế được sử dụng trong ADSL đĩ là: - Phương pháp điều chế biên độ cầu phương (QAM).
- Phương pháp điều chế biên độ/pha khơng song mang CAP. - Phương pháp điều chế tần số rời rạc (DMT).
3.5.1 Phương pháp điều chế biên độ cầu phương (QAM)
QAM là phương thức điều chế sử dụng một sĩng hình sin và một sĩng hình cosin ở cùng một tần số để truyền tín hiệu. Hai sĩng trên được truyền trên cùng một kênh. Biên độ của hai sĩng này (kể cả dấu) được sử dụng để truyền bit thơng tin.
Sau đây là một ví dụ đơn giản về QAM truyền thơng tin 4 bit trên cùng một kí hiệu: ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● Xác định dạng sĩng Xác định chịm điểm Bốn bít chiếu lên chịm điểm Tìm điểm gần nhất
Hình 3.15: Ví dụ về hệ thống QAM truyền 4 bit trên 1 kí hiệu.
Bốn bít tín hiệu được ánh xạ lên 16 điểm trên mặt phẳng pha biên độ thành một chùm điểm. Giá trị x và y của mỗi điểm tương ứng với biên độ của sĩng sin và cosin được truyền lên kênh. Cả phía phát và phía thu đều biết trước phép ánh xạ từ tổ hợp bít thành các điểm. Sau khi các tín hiệu sin và cosin được truyền trên kênh, phía thu khơi phục lại biên độ của mỗi tín hiệu (sử dụng quá trình cân bằng và xử lý tín hiệu). Biên độ của các tín hiệu này được chiếu lên chùm điểm đồng nhất với chùm điểm phía phát. Thơng thường, nhiễu và méo tín hiệu trên kênh và trên các thiết bị điện tử làm cho các điểm bị chiếu sai lệch so với vị trí các điểm trên chùm điểm. Máy thu sẽ lựa chọn điểm nào trên chùm điểm cĩ vị trí gần nhất so với điểm vừa thu được. Nếu nhiễu quá lớn thì điểm gần nhất với điểm thu được sẽ khác với vị trí ban đầu của điểm phát, gây ra lỗi. QAM cĩ bậc càng lớn thì địi hỏi cơng suất phát càng lớn và khoảng cách truyền càng nhỏ.
Hình 3.16 là sơ đồ khối của bộ điều chế. Dịng dữ liệu từ người sử dụng đi vào bộ điều chế. Tại đây dữ liệu được chia thành hai nửa, được điều chế thành hai phần trực giao với nhau rồi được tổ hợp thành tín hiệu cầu phương và truyền trên kênh truyền dẫn. Điều đĩ cĩ nghĩa là các tín hiệu cầu phương là tổ hợp của hai tín hiệu xuất phát từ cùng một nguồn nhưng được làm lệch pha nhau 900.
x value Giá trị y Giá trị x Nhánh Q Nhánh I Máy phát sĩng hình sin Máy phát sĩng dạng cosin Tìm giá trị (x, y) Tập hợp các bit đầu vào Dạng sĩng đầu ra
Hình 3.16: Sơ đồ khối bộ điều chế QAM.
Hình 3.17 là một dạng của bộ giải điều chế QAM, đầu vào của bộ giải điều chế là tín hiệu thu được trên kênh truyền và tín hiệu đầu ra được chiếu lên chùm điểm của máy thu.
Hình 3.17: Sơ đồ khối bộ giải điều chế QAM.
3.5.2 Phương pháp điều chế biên độ/pha khơng sĩng mang CAP
Tiếp theo, chúng ta cần phải nhắc đến cơng nghệ điều chế biên độ/pha khơng sĩng mang CAP (Carrierless Amplitude/Phase Modulation). CAP sử dụng tồn bộ dải thơng từ 4kHz lên 1,1MHz như một kênh truyền để truyền tất cả các bit cùng một lúc. Nĩi cách khác, nĩ khơng liên quan đến việc cĩ nhiều kênh, nhiều sĩng mang. Hoạt động song cơng được thực hiện bằng phương pháp FDM, ECHO hoặc cả hai. Phương pháp điều chế pha và biên độ khơng sĩng mang này dựa trên phương pháp điều chế biên độ cầu phương QAM. Vì thế phương pháp này hoạt động tương tự như phương pháp QAM. Tương tự như QAM, CAP sử dụng cả điều chế biên độ và điều chế pha.
Sự khác nhau giữa CAP và QAM trong việc thực hiện chúng. Với QAM, hai tín hiệu được kết hợp trong một miền tương tự. Tuy nhiên, do tín hiệu sĩng mang khơng mang thơng tin, nên CAP khơng gửi một chút sĩng mang nào. Tín hiệu điều chế được thực hiện một cách số hố nhờ sử dụng hai bộ lọc số với các đặc tính biên độ cân bằng và khác pha. Tín hiệu điều chế của CAP là số chứ khơng phải là tương tự do đĩ tiết kiệm được chi phí. Tuy nhiên chính sự vắng mặt của sĩng mang lại tạo nên nhược điểm của CAP đĩ là chịm sao mã hố của CAP khơng cố định (trong khi chịm sao mã hố
của QAM là cố định). Do đĩ bộ thu CAP phải cĩ chức năng quay để phát hiện ra vị trí cĩ liên quan của chùm sao.
Dưới đây là sơ đồ thu phát tín hiệu theo phương pháp điều chế CAP. Các bít dữ liệu được đưa vào bộ mã hố, đầu ra bộ mã hố là các symbol được đưa đến các bộ lọc số. Tín hiệu sau khi qua bộ lọc số đồng pha và bộ lọc số lệch pha 900 sẽ được tổng hợp lại, đi qua bộ chuyển đổi D/A, qua bộ lọc phát và tới đường truyền.
Tại đầu thu, tín hiệu nhận được qua bộ chuyển đổi A/D, qua các bộ lọc thích ứng và đến phần xử lý sau đĩ là giải mã. Bộ lọc phía thu và bộ xử lý là một phần của việc cân bằng điều chỉnh để chỉnh méo tín hiệu.
Hình 3.18: Thu phát tín hiệu theo phương pháp CAP.
Ưu điểm:
- Kỹ thuật hồn thiện phát triển từ modem V34: Do CAP dựa trên QAM một cách trực tiếp, nên nĩ là một kỹ thuật hồn thiện dễ hiểu, và do khơng cĩ các kênh con nên thực thi đơn giản hơn DMT.
- Thích ứng tốc độ: Trong CAP, việc thích ứng tốc độ cĩ thể đạt được bởi việc thay đổi kích cỡ chùm sao mã hố (4-CAP, 64-CAP, 512-CAP…) hoặc là bằng cách tăng hoặc giảm phổ tần sử dụng.
- Mạch thực hiện đơn giản. Nhược điểm:
- Khơng cĩ sĩng mang nên năng lượng suy giảm nhanh trên đường truyền, và cũng do khơng cĩ sĩng mang mà tín hiệu thu chỉ biết biên độ mà khơng biết pha do đĩ đầu thu phải cĩ bộ thực hiện chức năng quay nhằm xác định chính xác điểm tín hiệu.
3.5.3 Phương pháp điều chế đa tần rời rạc (DMT: Discrete Multitone)
Các thiết bị ADSL sử dụng các mã đường truyền CAP và DMT. Tuy vậy mã đường truyền tiêu chuẩn chính thức cho ADSL là DMT. DMT hoạt động bằng cách phân chia tồn bộ dải băng thơng tương tự bị giới hạn bởi các mạch vịng nội hạt thành một số lượng lớn các kênh cĩ độ rộng bằng nhau. Độ rộng tồn băng lên đến 1.1MHz được phân chia thành 256 kênh, bắt đầu từ 0 Hz. Mỗi kênh chiếm 4.3125 KHz, tạo ra độ rộng tồn băng là 1.104 MHz. Trong 256 kênh này cĩ một số kênh đặc biệt, một số khác lại khơng sử dụng.
Phần lớn hệ thống DMT-ADSL chỉ sử dụng 250 kênh hoặc 249 kênh. Các kênh thấp từ 1 đến 6 phần lớn dành cho tín hiệu tương tự băng gốc 4 KHz. Vì 6 lần 4.3125 KHz là 25.875 KHz nên 26 KHz được xem như là điểm bắt đầu cho các dịch vụ ADSL ( một dải băng bảo vệ được sử dụng giữa tín hiệu thoại tương tự và các tín hiệu DMT). Ngồi ra suy hao tín hiệu tại các kênh từ 250 trở lên lại quá lớn nên việc sử dụng chúng để truyền thơng tin trên các mạch vịng dài là khĩ khăn.
Nếu sử dụng phương pháp triệt tiếng vọng thì cĩ 32 kênh hướng lên và 250 kênh hướng xuống (thường bắt đầu từ kênh số 7). Nếu sử dụng phương pháp FDM thì số kênh hướng lên là 32 kênh và số kênh hướng xuống chỉ cịn 218 kênh vì chúng khơng được chồng lấn. Các kênh hướng lên chiếm phổ tần thấp hơn vì:
- Suy hao tín hiệu ở đây nhỏ hơn và máy phát của thuê bao thường cĩ cơng suất thấp hơn các máy phát của tổng đài nội hạt.
- Cĩ nhiều nhiễu hơn tại tổng đài nội hạt chẳng hạn do xuyên âm.
Khi các thiết bị ADSL sử dụng DMT được kích hoạt, mỗi kênh sẽ được thiết bị đầu cuối kiểm tra suy hao. Thực tế việc kiểm tra này là một thủ tục bắt tay phức tạp và thơng số kiểm tra được sử dụng làm mức khuếch đại (một đại lượng nghịch đảo của suy hao).
Khơng phải tất cả các kênh đều sử dụng để truyền tải thơng tin. Một số kênh được dành cho quản lý mạng và các chức năng đo kiểm tra chất lượng.
Theo lý thuyết thì độ lợi tín hiệu tại các băng tần thì như nhau. Tuy nhiên, trên thực tế độ lợi tín hiệu tại những tần số khác nhau thì khác nhau. Cho nên tín hiệu cĩ thể truyền tốt ở tần số này nhưng kém ở tần số khác. Trong quá trình định thơng số ban dầu, modem DMT đo tỷ số tín hiệu trên nhiễu S/N của từng kênh thứ cấ, sau đĩ phân chia lượng tín hiệu cho phù hợp với đáp ứng tần số mà modem ADSL cĩ được. Tốc độ của một kênh hoặc một nhĩm kênh cĩ thể thay đổi, miễn là bội số của 32Kbps.
Hình 3.19: Sơ đồ điều chế DMT.
Ưu điểm:
- Phát triển từ cơng nghệ modem V34: modem V34 sử dụng một số kỹ thuật tiên tiến để đạt được tối đa tốc độ dữ liệu trên đường dây điện thoại. Modem ADSL dựa trên DMT là đại diện cho sự tiến hố từ kỹ thuật của modem V34. Modem DMT sử dụng QAM, triệt tiếng vọng, mã lưới đa kích cỡ, và sắp xếp hình sao.
- Sự thực thi: truyền được tốc độ bit tối đa trong các khoảng băng tần nhỏ bởi vì các kênh con độc lập cĩ thể thao tác một cách riêng biệt với các điều kiện đường dây được xem xét. DMT đo tỉ số S/N một cách riêng biệt đối với mỗi kênh con và ấn định số bit được mang bởi mỗi kênh con tương ứng. Thơng thường, các tần số thấp cĩ thể mang nhiều bit bởi vì chúng bị suy hao nhỏ hơn tại tần số cao.
- Thích ứng tốc độ: DMT linh hoạt hơn trong việc điều chỉnh tốc độ truyền, nĩ cĩ thể thích ứng tốc độ dữ liệu đối với điều kiện đường dây cụ thể. Mỗi kênh con mang một số bit cụ thể phụ thuộc vào tỉ số S/N. Bằng việc hiệu chỉnh số bit trên một kênh, DMT cĩ thể tự động điều chỉnh tốc độ bit dữ liệu.
Nhược điểm:
- Do cĩ nhiều sĩng mang nên thiết bị rất phức tạp và đắt.
3.5.4 So sánh DMT và CAP/QAM Voice Upstream 0 - 4KHz 26 - 160KHz Downstream 240KHz – 1.5MHz DMT CAP
Hình 3.20 : Đặc tính phổ tần tín hiệu CAP và DMT.
3.5.4.1 Thực hiện trên các kênh truyền phức tạp
DMT hoạt động rất hiệu quả trên các kênh truyền phức tạp: Vì kênh truyền được phân chia thành nhiều kênh hẹp nên tỷ số S/N trên từng phân kênh là hầu như đồng đều. Những phân kênh nằm ở cùng tần số cĩ tỷ số S/N bị suy hao nhiều bởi các nhánh rẽ hay mức nhiễu cao đươc dùng để truyền ít bít thơng tin hơn các phân kênh cĩ tỷ số S/N 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 khơng chuyển dữ liệu được. Vì vậy, trên một kênh truyền hệ thống DMT cĩ thể gửi dữ liệu nhiều nhất mà kênh truyền cho phép và chỉ sử dụng những vùng cĩ thể truyền dữ liệu được.
3.5.4.2 Khả năng kháng nhiễu
Khả năng kháng nhiễu của CAP/QAM với xâm nhập của sĩng vơ tuyến gắn chặt với độ dài của bộ lọc Feedforward của phân đoạn DFE. Bộ lọc này phải phát ra các notch ở các vùng cĩ nhiễu sĩng vơ tuyến để giảm khả năng những tác nhân này gây ra sai nhầm trong dời mức. Khi số notch cần thiết tăng lên thì độ dài của bộ lọc feedforward cũng tăng theo. Một bộ lọc cĩ độ dài cố định chỉ cĩ thể loại bỏ một số nhất định các xuyên nhiễu sĩng vơ tuyến ở một mức năng lượng nào đĩ.
Với hệ thống DMT, ảnh hưởng của các nguồn nhiễu khơng xác định trước như xâm nhập từ sĩng vơ tuyến qua khơng khí: ví dụ sĩng AM hay sĩng vơ tuyến nghiệp dư bị loại trừ phần nào do kênh truyền đã đươc 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 kên phân kênh đĩ. Tuy nhiên hầu hết các tác nhân gây nhiễu đều khơng quá hẹp và chúng thường cũng khơng 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 vơ tuyến người ta sử dụng một cửa sổ cho tín hiệu thu được trước khi giải điều chế.
3.5.4.3 Khả năng kháng nhiễu xung
Trong trường hợp nhiều loại nhiễu xung, các hệ thống DMT miễn nhiễm tốt hơn các hệ thống CAP/QAM. Các hệ thống DMT cũng cung cấp một cách miễn nhiễm nhiễu khác. Mặc dù, nhiễu xung về mặt lý thuyết là khơng đổi theo tần số nhưng trên thực tế hầu hết nhiễu xung cĩ hình dạng riêng. Khi một hệ thống DMT bị tác động bởi nhiễu xung cĩ hình dạng nhất định thì khơng 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 cĩ phổ đồng đều. Trong
khi đĩ, các hệ thống CAP/QAM lại khơng cĩ một cơ chế nào tỏ ra tận dụng được trường hợp nhiễu xung cĩ phổ khơng đồng đều.
3.5.4.4 Thích ứng với điều kiện kênh truyền và nhiễu thay đổi
Các hệ thống CAP/QAM phải trơng 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 của các hàm truyền đạt hay nhiễu của kênh truyền và điều này khơng làm ảnh hưởng mấy đến dung lượng đường truyền. Dĩ nhiên là khi dung lượng kênh truyền giảm tới mức khơng dung nạp nổi tốc độ dữ liệu được thiết lập ban đầu thì cả hệ thống DMT và CAP/QAM đều thất bại.
3.5.4.5 Hỗ trợ tốc độ cần thiết
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 tốc độ dữ liệu mà hệ thống CAP/QAM cung cấp rất thấp. Nếu tốc độ dữ liệu cần thiết giữa hai tốc độ dữ liệu cĩ thể thực hiện được thì hệ thống CAP/QAM phải hỗ trợ bằng tốc độ lớn hơn.
Ví dụ: một hệ thống sử dụng dải thơng 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 cĩ thể hỗ trợ được tốc độ truyền dữ liệu 3 Mbps, với 2 bit cho mỗi tín hiệu thì hệ thống cĩ 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 tốc độ 12 Mbps. Như vậy, ít nhất đã bỏ phí 2 Mbps. Trong trường hợp khơng thuận lợi, khi tỷ số S/N làm cho kênh truyền chỉ cĩ 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.
3.5.4.6 Triệt phát xạ sĩng điện từ
Để thực hiện triệt phát xạ sĩng điện từ ( nghĩa là phải giới hạn mật độ phổ cơng suất ở mức -80 dBm/Hz trong dải tần vơ tuyến nghiệp dư), máy phát CAP/QAM phải phát ra các notch cho từng dải tần vơ tuyến nghiệp dư mà hệ thống cĩ chồng lấn.
Một phương pháp thực hiện khác của các hệ thống CAP/QAM là đặt các tín hiệu CAP/QAM giữa các dải tần vơ tuyến nghiệp dư, do vậy loại trừ nhu cầu cần phải cĩ