2.2 Nhiễu
2.2.4 Sóng vơ tuyến băng rộng điều biên
Sóng vơ tuyến băng rộng thường sử dụng cho truyền sóng vơ tuyến quảng bá qua khoảng cách dài. Tín hiệu được truyền thường bao gồm diễn văn và nhạc. Nhiều trạm vơ tuyến AM có thể cùng một lúc hoạt động trong thành phố và ảnh hưởng lên đường dây điện thoại. AM băng rộng cho phép truyền với độ rộng tần số trong khoảng 0,1-2,0 MHz. Tín hiệu vơ tuyến AM có thể là cao hơn 20dB hoặc hơn nữa so với tín hiệu HAM, nhưng chúng ta cần nhớ rằng cáp cân bằng thường là tốt hơn ở tần số thấp (giảm từ 10 đến 15dB). Đồng thời, khoảng cách từ cột anten AM cho tới đường dây thoại thường là 1 km chí ít cũng lớn hơn 10mét, và năng lượng trải rộng gấp 4 lần dải thơng (giảm 6 dB). Do vậy, tín hiệu vơ tuyến AM có nhiễu PSD khoảng từ -80dBm/Hz đến -120 dBm/Hz Máy phát có thể sử dụng cơng suất rất cao lên đến 50 KW và có thể phát tới công suất lớn nhất vào buổi tối.
Trong đặc điểm VDSL AM băng rộng được làm mơ hình với một máy phát AM với một bộ điều chế chỉ số 80%. Điều này có nghĩa rằng sóng mang khơng được khử nhiễu hồn tồn. Tín hiệu thơng tin được mơ hình với giới hạn băng tần nhiễu Gauusian chừng 5 KHz. Vì vậy, tín hiệu sóng vơ tuyến được phát sử dụng một độ rộng băng chừng 10 KHz.
Loại máy phát RF mạnh mẽ loại này có thể gây ra RFI rất lớn tại miền đóng, nhưng tại một khoảng cách lớn thích hợp RFI sẽ đủ nhỏ để được điều khiển bởi các phương pháp thích hợp.
7,0 10,1 14,0 18,068 21 24,89 28,0 7,1 10,15 14,35 18,168 21,45 24,99 29,7
Các băng này chồng lên băng truyền dẫn của VDSL nhưng tránh các băng truyền dẫn của các DSLs khác. Do đó, giao thoa vơ tuyến HAM là vấn đề lớn đối với VDSL.
Nhà khai thác HAM có thể sử dụng cơng suất 1,5 KW, nhưng sử dụng công suất lớn như vậy rất hiếm khi sử dụng ở các vùng dân cư đơng hay các vùng có nhiều đơi dây điện thoại. Bộ phát 400W ở khoảng cách 20 mét (30 ft) có thể gây ra điện áp cảm ứng chung theo chiều dọc khoảng 11 vôn trên đường dây điện thoại. Với độ cân bằng là 33 dB, điện áp kim loại tương ứng là 300 mV, là 0dBm công suất trên đường dây Z0 = 100Ω. Các nhà khai thác HAM sử dụng băng tần số 2,5kHz liên tục với âm thanh (thoại) hoặc tín hiệu số (mã Morse, FSK), dẫn tới nhiễu PSD xấp xỉ -34 dBm/Hz. Trên thực tế, các nhà khai thác HAM truyền ở các mức thấp hơn hoặc có thể cách xa hơn 10m khi truyền các mức cao hơn. Tuy nhiên điều này dẫn đến nhiễu PSDs trong khoảng từ -35 dBm/Hz đến -60 dBm/Hz. Hơn nữa, các mức điện áp cao như vậy có thể làm bão hồ các thiết bị điện từ analog đầu vào.
Các nhà khai thác HAM chuyển tần số sóng mang vài phút một lần và tín hiệu truyền là 0 (điều chế SSB) khi khơng có tín hiệu. Vì thế, bộ thu có thể khơng có khả năng dự đốn được sự xuất hiện của HAM vào.
May mắn thay, tín hiệu vơ tuyến HAM là băng hẹp và vì thế các phương pháp truyền dẫn cố gắng đánh dấu các băng tần hẹp và ít của các nhiễu này, thực chất là để tránh nhiễu hơn là cố gắng truyền qua nó. Một số bộ thu có các bộ lọc để loại bỏ hiệu ứng này.
2.2.6 Nhiễu xung
Nhiễu xung là xuyên âm không ổn định từ các trường điện từ tạm thời gần đường dây điện thoại. Ví dụ về bộ phát xung là rất đa dạng như mở của tủ lạnh (mô tơ chạy/tắt), điện áp điều khiển thang máy (các đường dây điện thoại trong
máy điện thoại trong cùng bó cáp. Mỗi hiệu ứng này là tạm thời và gây ra nhiễu xâm nhập vào các đường dây điện thoại qua cùng một cơ chế cơ bản như nhiễu RF, nhưng thường ở tần số thấp hơn nhiều.
Điện áp cảm ứng kim loại thường là vài mV, nhưng cũng có thể cao tới 100 mV. Các điện áp như vậy dường như là nhỏ, nhưng sự suy giảm lớn ở tần số cao trên đôi dây xoắn có nghĩa là ở thiết bị thu xung có thể là rất lớn so với mức tín hiệu DSL nhận được. Các điện áp ở chế độ này phổ biến gây bởi xung có thể gấp 10 lần về biên độ. Các xung thông thường kéo dài từ hàng chục đến hàng trăm lần micro giây nhưng cũng có thể kéo dài tới 3 ms.
2.3 Đặc tính của kĩ thuật VDSL
Tỉ số tín hiệu trên nhiễu (SNR) là tỉ số năng lượng của tín hiệu mang thơng tin ở máy thu so với năng lượng của nhiễu nhận được. Về bản chất SNR mô tả chất lượng của kênh truyền dẫn. Trong miền tần số, SNR được tính bằng cách chia mật độ phổ năng lượng (PSD) của tín hiệu mang tin ở máy thu cho mật độ phổ năng lượng ở máy phát. Vì suy hao và nhiễu ln biến đổi theo tần số nên tỉ
số SNR là một hàm theo tần số.
Hình 2.9 Đáp ứng tần số của một tín hiệu chứa nhiễu AWGN
PSD
-60 dBm/Hz
f
1 km 24 AWGN
Tín hiệu thu được
H(f) 2
Cùng với xác suất dị tín hiệu sai nhầm và dải thông của kênh truyền, SNR xác định vận tốc lớn nhất mà thơng tin có thể được truyền qua kênh truyền. Hình 2.9 minh hoạ trường hợp đưa tín hiệu với mật độ phổ công suất phát phẳng -60 dBm/Hz vào đường dây cáp cân bằng cỡ dây 24 dài 1km. Nhiễu tác động chỉ gồm nhiễu Gauss trắng cộng (AWGN) với mức –140dBm/Hz ở đầu thu. Hình
2.10 là SNR nhận được.
Hình 2.10 SNR của tín hiệu và hệ thống
Như phân tích ở trên, nhiều loại nhiễu trên đường dây xoắn đôi như nhiễu xung chẳng hạn là không thể lường trước được và lại biến đổi theo thời gian. Khi đó, tỷ số SNR cũng biến đổi theo thời gian. Để tránh được nhiễu tăng ngoài ý muốn làm cho tỷ số SNR suy giảm, hầu hết các hệ thống đều không hoạt động ở tốc độ tối đa mà kênh truyền cho phép. Thay vào đó hệ thống hoạt động đều chưa dự phịng nhiễu (noise margin). Như vậy, việc sử dụng dự phòng đã dự phòng cho hệ thống tránh sai lầm do nhiễu tăng lên không lường trước được. Yêu cầu cho các hệ thống VDSL được các công ty điện thoại thiết lập qua thực tế trong các nhóm tiêu chuẩn ANSI T1E1.4 ở Hoa Kỳ và ETSI TM6 ở Châu Âu. Mặc dù T1E1.4 và TM16 là các nhóm tiêu chuẩn độc lập với các đặc tính áp dụng cho các vùng địa lý khác nhau nhưng những người tham gia xây dựng tiêu
80 70 60 50 40 30 20 10 0 0 2 4 6 8 10 12 Tần số (MHz) SN R ( dB )
chuẩn đều nhận ra được lợi ích từ việc thống nhất tiêu chuẩn ở Hoa Kỳ và Châu Âu. Vì vậy họ đã cố gắng tạo ra những yêu cầu lâu dài cho hệ thống VDSL.
Cả ANSI và ETSI đều hỗ trợ các tỷ số tốc độ dữ liệu giữa chiều xuống và chiều lên trong VDSL bất đối xứng và tốc độ dữ liệu của VDSL đối xứng. ETSI gọi modem hỗ trợ tốc độ dữ liệu bất đối xứng là modem class I và modem hỗ trợ tốc độ dữ liệu đối xứng là modem class II. ETSI đưa ra bảng kết hợp tốc độ payload của modem VDSL theo bảng 2.3 và 2.4.
Như vậy, ETSI khuyến nghị tỷ số giữa dòng dữ liệu chiều xuống và Chiều lên là 6:1, 3:1, 1:1. Tuy nhiên một số thành viên của ETSI lại khuyến nghị rằng nên loại bỏ tốc độ đối xứng 36,864 Mbps thuộc nhóm II vì nó cần dữ liệu tốc độ cao chỉ hoạt động được với một số rất ít các đường dây điện thoại rất ngắn nhưng lại làm tăng độ phức tạp và giá thành của modem.
ANSI cũng xác định tốc độ bit cho cả hai chế độ hoạt động đối xứng và bất đối xứng. Bảng 2.4 là tốc độ dữ liệu của VDSL theo ANSI. Theo đó tỷ số tốc độ dữ liệu của chiều xuống và chiều lên là 8:1, 4:1 và 1:1.
Bảng 2.3 Tốc độ modem VDSL theo ETSI
Modem Class Downstream rate (kbps) Upstream rate (kbps)
I 6×1024 12×1024 24×1024 2×1024 2×1024 4×1024 II 6×1024 12×1024 24×1024 36×1024 6×1024 12×1024 24×1024 34×1024
Bảng 2.4 Tốc độ modem VDSL theo ANSI
Đối xứng 6,5 34 26 19 13 6,5 4,3 2,3 1,6 hay 0,8 34 26 19 13 6,5 4,3 2,3 Hình 2.11 Ví dụ về NEXT
Hình 2.12 SNR ở máy thu khi đưa tín hiệu vào mạch vịng và bị nhiễu tác động
60 50 40 30 20 10 0 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 - 80 - 90 -100 -110 -120 -130 -140 -150 Tần số (MHz)
Hình 2.11 Ví dụ về NEXT do 10 đường dây ADSL gây ra và nhiễu trắngGAUSS trung bình –140dBm/Hz. Hình 2.12 SNR ở máy thu khi đưa tín hiệu – GAUSS trung bình –140dBm/Hz. Hình 2.12 SNR ở máy thu khi đưa tín hiệu – 60dBm/Hz vào mạch vòng B và bị nhiễu tác động.
Như đã nói ở trên, tín hiệu trun trong khơng khí có thể ảnh hưởng đến đường dây điên thoại làm phá huỷ tín hiệu VDSL. Ngược lại, tín hiệu VDSL trên các đường dây điện thoại cũng làm ảnh hưởng và phá huỷ các tín hiệu vơ tuyến. Vì lí do này, cả ANSI và ETSI đều qui định các modem VDSL phải giới hạn mật độ phổ công suất phát ở mức không lớn hơn –80dBm/Hz trong giải tần vơ tuyến nghiệp dư có trong vùng địa lí của họ. Định vị của các giải tần vô tuyến nghiệp dư được ETSI và ANSI thừa nhận được liệt tương ứng trong các bảng 2.5 và 2.6.
Bảng 2.5 Dải tần vô tuyến nghiệp dư được ETSI thừa nhận
Tần số đầu băng (MHz) Tần số cuối băng (MHz) 1,810 3,500 7,000 10,100 14,100 18,068 21,000 28,000 2,000 3,800 7,100 10,150 14,350 18,168 21,450 29,100
Bảng 2.6 Dải tần vô tuyến nghiệp dư được ANSI thừa nhận
21,000 28,000
21,450 29,700
Mật độ phổ công suất phát mô tả cơng suất phát của tín hiệu mang tin được phân bố theo tần số như thế nào khi tín hiệu được đưa vào kênh truyền ở ngõ ra của máy phát. Chẳng hạn, nếu tồn bộ cơng suất 10 mW được đưa vào đường dây và máy phát năng lượng đều trong dải tần 1 MHz thì mật độ phổ công suất phát là hằng số và bằng 10-5 mW/Hz. Đường bao mật độ phổ công suất phát xác định mật độ phổ công suất cực đại cho phép theo chiều tần số.
Công suất cực đại được ETSI và ANSI cho phép đều là 11,5 dBm. Tuy nhiên, ETSI và ANSS lại khác nhau trong cách năng lượng phân bố theo tần số. Cả hai tổ chức tiêu chuẩn này đều đưa ra đường bao xác định đường bao xác định phổ công suất phát tối đa và cả hai đều buộc modem đều có khả năng giảm mật độ cơng suất đến –80dBm/Hz trong giải tần vô tuyến nghiệp dư.
ANSI xác định mật độ phổ công suất cực đại bao gồm ba lựa chọn cho nhà điều hành hệ thống VDSL như sau:
PSD enhancement (on/off):
• Off: mật độ phổ công suất phát bị giới hạn ở giá trị lớn nhất là –60dB/Hz.
• On: mật độ phổ cơng suất phát có thể tăng trên –60dB/Hz. Việc tăng mật độ cơng suất phát được giám sát bởi một đường bao mật độ phổ công suất phát và bị kiềm giữ ở tổng công suất 11,5 dBm.
ADSL compatibility (on/ off):
• On: mật độ cơng suất phát ở dải tần dưới 1,104 MHz bị giới hạn ở -90dBm/Hz.
• Off: mật độ phổ cơng suất phát trong giải tần này có thể đạt được trạng thái PSD enhancement.
RF emission notching (on/off):
• Off: mật độ phổ cơng suất phát trong giải tần vơ tuyến nghiệp dư có thể đạt được trạng thái PSD enhancement.
ETSI cũng xác dịnh một số các đường bao mật độ phổ công suất phát (PSD mash) tuỳ theo tình huống sử dụng. Khi VDSL được ONU sử dụng (trong cấu hình FTTcab) thì cả hai chiều chiều lên và chiều xuống đều có chung một đường bao mật độ phổ công suất phát. Khi VDSL được tổng đài nội hạt sử dụng thì hai chiều chiều lên và chiều xuống có hai đường bao khác nhau. Sự khác nhau giữa các đường bao cũng có thể thấy được trong tầm tần số từ 0 đến 176 kHz tuỳ theo có hay khơng có POST/ISDN bên cạnh các hệ thống VDSL. Các đường bao mật độ phổ công suất phát mạnh mẽ hơn cũng được định nghĩa cho việc sử dụng các mạng mà hầu hết hay đối khi tất cả các đều được chôn ngầm và sự bức xạ vào dải tần vơ tuyến nghiệp dư khơng khí là khơng đáng kể. Cuối cùng, ETSI cũng yêu cầu các modem phải có khả năng giảm mật độ phổ công suất không quá – 80dBm/Hz trong các dải tần vơ tuyến nghiệp dư.
Nếu có thể phát triển được VDSL thì các hệ thống VDSL phải tương hợp với các tín hiệu của các dịch vụ khác trong cùng một chảo cáp. Hệ thống DSL bị VDSL ảnh hưởng nhiều nhất là ADSL. Trong một vài cấu hình, VDSL có thể ảnh hưởng mạnh đến ADSL trừ khi được thiết kế cẩn thận. Trong một số cấu hình khác VDSL lại bị ADSL ảnh hưởng ngược lại.
Trong cấu hình FTTEx nhiều đơi dây xoắn tỏa ra từ một tổng đài nội hạt có thể mang tín hiệu ADSL, truyền với mật độ phổ cơng suất phát –40dBm/Hz trong khi các đường dây khác có thể mang tín hiệu VDSL với mật độ phổ cơng suất phát từ -60dBm/Hz cho các thuê bao gần tổng đài hơn như minh hoạ ở hình 2.13. Trong cấu hình này, ảnh hưởng của VDSL lên ADSL là không đáng kể.
CO
2.3.1 Các phương pháp điều chế cho VDSL
Trong các hệ thống truyền dẫn để có thể truyền được tín hiệu đi xa và để tăng tốc độ truyền dẫn tín hiệu người ta sử dụng các phương pháp điều chế tín hiệu. Điều chế là một khái niệm dùng để chỉ một phương pháp sử dụng một sóng mang để truyền tín hiệu. Tín hiệu sóng mang có tần số cao và cơng suất đủ lớn để điều chế tín hiệu. Tín hiệu gốc sẽ làm thay đổi tần số, pha, biên độ hoặc đồng thời các tham số đó. Mỗi kiểu thay đổi các tham số khác nhau sẽ có một loại điều chế riêng. Tín hiệu điều chế có thể là tín hiệu số hay tương tự. Trong hệ thống VDSL, người ta cũng sử dụng các phương pháp điều chế chính đó là QAM, DMT và CAP.
2.3.1.1 Phương pháp điều chế biên độ cầu phương QAM
QAM sử dụng sóng hàm sin và sóng hàm cos với cùng tần số tần số cấu thành để chuyển đổi thơng tin. Sóng chuyển đồng thời qua một kênh đơn. Và biên độ (bao gồm tín hiệu và cường độ) của mỗi sóng được sử dụng để truyền thơng tin (dưới dạng các bít). Ít nhất một chu kì (và hơn thế) của sóng được gửi để chuyển đổi một tập hợp bít trước khi một tập hợp bít mới được gửi. Điều chế QAM đã dùng trong nhiều năm và cơ sở cho nhiều phát minh modem băng tần thoại.
Một ví dụ đơn giản:
Since magnitude Since magnitude
y y • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • x • • • • • • • • • • •
gửi qua kênh và nhận 4 bít vào 4 bít đầu ra Xác định chòm điểm Xác định dạng sóng chiếu xạ lên chịm điểm Tìm điểm gần nhất Cos x Cosx
Hình 2.14 Sơ đồ ví dụ minh hoạ phương pháp điều chế QAM-16 trạng thái
Một ví dụ của một hệ thống điều chế QAM cái có thể gửi 4 bit thơng tin cho mỗi kí hiệu QAM xuất hiện trong hình 2.14.
4 bít thơng tin được phát để ánh xạ tới một trong 16 điểm trên một chịm điểm QAM. Chú ý rằng 4 bít thơng tin, 16 điểm cho phép 1 điểm duy nhất cho bất cứ sự kết hợp nào của các bít. x và y cấu thành điểm để các bít mà nó được ánh xạ chỉ rõ biên độ của sóng hàm sin và hàm cos để truyền qua kênh truyền.