Mạng cỏp đồng được thiết kế với mục đớch truyền tớn hiệu thoại, bởi vậy khi ỏp dụng cụng nghệ xDSL (cụ thể là ADSL) cần truyền đồng thời cả hai loại tớn hiệu (thoại và dữ liệu), do đú sẽ cú một số khú khăn khi truyền dẫn.
2.3.2.1 Dung lượng của một kờnh phụ thuộc vào tiếng ồn (tạp õm)
Theo Shannon dung lượng của kờnh truyền là: C=B.log2(1+SNR)
Trong đú:
B: độ rộng dải thụng của kờnh
60
Vậy để tăng tốc độ truyền dẫn của kờnh ngoài việc tăng độ rộng kờnh B ta cú thể giảm tạp õm nhiễu, tức là tăng tỉ số SNR.
2.3.2.2 Suy giảm tớn hiệu do cự li truyền và do biến dạng xung.
Khi tớn hiệu truyền đi xa ở trong mụi trường nú sẽ bị suy hao tớn hiệu do ảnh hưởng của mụi trường truyền tin (tức là biờn độ tớn hiệu bị giảm). Ngoài ra, khi truyền trờn cỏp đồng tớn hiệu cũn bị biến dạng so với tớn hiệu truyền đi ban đầu do đặc trưng truyền khụng đồng đều đối với cỏc thành phần tần số khỏc nhau của tớn hiệu. Mức độ suy giảm và biến dạng phụ thuộc vào tần số phỏt, khoảng cỏch truyền dẫn và kớch cỡ cỏp,...
Suy giảm biờn độ tớn hiệu làm cụng suất tớn hiệu thu được giảm gõy tăng lỗi giảm tốc độ truyền dẫn. Ngoài ra, cỏc xung gõy nhiễu lờn nhau dẫn đến khụng khụi phục được lại dạng ban đầu tại nơi thu.
2.3.2.3 Ảnh hưởng của nhiễu mụi trường
Khi truyền dẫn trờn đường truyền, tớn hiệu ngoài việc bị biến dạng xung và giảm cụng suất do cự li truyền cũn bị ảnh hưởng của nhiễu mụi trường.
- Nhiễu trắng (Gauge):
Nhiễu này khụng thể trỏnh khỏi, nú luụn tồn tại trờn đường dõy đồng, nhiễu trắng sinh ra do cỏc electron chuyển động tự do trong đường dõy. Tạp õm này ảnh hưởng độc lập trờn từng kớ hiệu được truyền đi. Nhiễu này tạo thành một dải liờn tục trờn mọi miền tần số.
- Nhiễu do hiệu ứng xuyờn kờnh:
Khi truyền tớn hiệu trong cỏp cú hiện tượng xuyờn õm giữa hai đường dõy gần nhau, xuyờn õm cú ảnh hưởng lớn đến sự suy giảm tớn hiệu trong hệ thống DSL. Nguyờn nhõn là do hiện tượng cảm ứng điện từ khi một đụi dõy
61
nằm trong phạm vi ảnh hưởng của trường điện từ bức xạ từ một đụi dõy khỏc khi đang truyền tớn hiệu. Cú hai loại xuyờn kờnh:
+ Xuyờn õm đầu gần NEXT (near end crostalk) là loại xuyờn õm gõy ra do cỏc tớn hiệu truyền theo hướng ngược nhau trờn hai đụi dõy đồng xoắn.
+ Xuyờn õm đầu xa FEXT (far end crostalk) nhiễu gõy ra do cỏc tớn hiệu truyền cựng hướng trờn hai đụi dõy đồng xoắn.
- Nhiễu tần số vụ tuyến RFI (Radio Frequency Interference):
Nhiễu tần số vụ tuyến là thành phần cũn lại của tớn hiệu vụ tuyến trờn đường dõy điện thoại, đặc biệt là của phỏt thanh quảng bỏ AM và cỏc nhà khai thỏc nghiệp dư. Tớn hiệu vụ tuyến xõm nhập vào cỏc đường dõy cỏp đồng gõy nhiễu lờn tớn hiệu truyền ở trong cỏp đồng. Vỡ đường dõy đồng chỉ thiết kế cho mục đớch truyền thoại nờn chỉ chống được ảnh hưởng của cỏc tớn hiệu vụ tuyến ở tần số thấp, ở tần số cao thỡ sự cõn bằng giảm do đú với hệ thống DSL núi chung thỡ nhiễu vụ tuyến cú thể xõm nhập với mức độ phụ thuộc vào khoảng cỏch nguồn nhiễu đến đường dõy, cụng suất của nguồn nhiễu,... Cỏc trạm phỏt súng radio phỏt quảng bỏ trong dải tần số từ 560-1600 Khz là chồng lấn băng truyền với dải tần của ADSL. Mặc dự nhiễu từ nguồn này cú cụng suất cao nhưng cú thể dự đoỏn được.
- Nhiễu đột biến (Impulse Noise):
Hay cũn gọi là nhiễu xung gõy ra bởi những can nhiễu điện từ xuất hiện trong thời gian rất ngắn (vài s đến ms) và cú cường độ lớn (vài mV). Vớ dụ như xung điện từ gõy ra bởi tia sột, sự bật tắt của cỏc nguồn điện, mụ tơ,... Mức nhiễu nếu quỏ lớn cú thể gõy triệt tiờu hoàn toàn tớn hiệu thụng tin hoặc gõy lỗi cụm. Thụng thường người ta phải dựng cỏc loại mó sửa lỗi trước FEC kết hợp với kỹ thuật đan xen để khắc phục lỗi cụm.
62
2.3.3 Điều chế tớn hiệu trong ADSL
Điều chế (Modulation) tớn hiệu là phương phỏp sử dụng một súng mang để truyền tớn hiệu. Tớn hiệu súng mang cần cú tần số đủ cao và cụng suất đủ lớn để điều chế tớn hiệu. Tớn hiệu gốc (mang thụng tin cần truyền) sẽ làm thay đổi tần số, pha, biờn độ hoặc thay đổi đồng thời cỏc tham số đú. Mỗi kiểu thay đổi cỏc tham số khỏc nhau sẽ cú một loại điều chế riờng. Tớn hiệu điều chế cú thể là tương tự hay số. Trong ADSL người ta chủ yếu sử dụng hai phương phỏp điều chế chớnh đú là DMT (Discrete Multi Tone) và CAP(Carrierless Amplitude/Phase modulation). Đặc biệt là điều chế DMT được cỏc nhà cung cấp sử dụng phổ biến để sản xuất thiết bị. Cả hai phương phỏp này đều được xõy dựng trờn cơ sở của điều chế biờn độ cầu phương (Quadrature Amplitude Modulation - QAM).
2.3.3.1 Kỹ thuật điều chế QAM.
QAM là phương phỏp điều chế mà súng mang là hai súng hỡnh sin và cosin cú cựng tần số. Cỏc súng này được gửi đồng thời trờn một kờnh và trạng thỏi của mỗi súng (gồm cả biờn độ và pha) được sử dụng để truyền tải thụng tin. Mỗi chu kỳ của cỏc súng mang truyền tải một tập cỏc bit thụng tin. Trong phương phỏp QAM thỡ tập cỏc bit được truyền trong một ký hiệu (symbol), mỗi symbol cú thể gồm 2 bit, 4 bit, 6 bit,... tương ứng với phương phỏp điều chế cú tờn gọi là 4QAM, 16QAM, 64QAM,... do chỳng cú 4 điểm, 16 điểm, 64 điểm trong sơ đồ chựm sao.
Sử dụng phương phỏp điều chế thớch hợp, cú thể làm tăng số bit/baud. Những giỏ trị số được mó húa, tương ứng với pha và biờn độ được miờu tả bằng sơ đồ chũm sao. Bằng cỏch tăng kớch cỡ chũm sao, tức là tăng mật độ bit trờn symbol, thỡ tốc độ dữ liệu sẽ tăng cao hơn.
63
Nhờ sự kết hợp giữa pha và biờn độ, QAM cú thể mang nhiều bit trong một trạng thỏi tớn hiệu. Điều đú cho phộp tăng tốc độ truy cập cho đường dõy thuờ bao mà băng thụng đường truyền khụng đổi.
- Nhược điểm:
Số trạng thỏi của QAM càng lớn tỉ số tớn hiệu trờn tạp õm càng phải lớn để đảm bảo cú tỉ lệ BER cho phộp, thường cỏc hệ thống cần đảm bảo sao cho BER<10-7.
2.3.3.2 Kỹ thuật điều chế CAP
CAP (Carrierless Amplitude/Phase modulation) cũn được gọi là điều chế QAM khụng súng mang vỡ trong thành phần tớn hiệu trờn đường dõy khụng cú súng mang. Sở dĩ như vậy là vỡ súng mang khụng mang năng lượng của tớn hiệu mang tin mà chỉ mang năng lượng thừa nờn khi triệt súng mang, người ta tập trung được năng lượng cho thành phần tớn hiệu mang tin. Phương phỏp điều chế CAP này hoạt động gần giống với phương phỏp điều chế QAM nhưng quỏ trỡnh điều chế được thực hiện trong miền số.
Cỏc ưu điểm của CAP:
- Kỹ thuật đơn giản vỡ khụng cần kờnh con.
- Cú thể thay đổi tốc độ bằng cỏch thay đổi kớch cỡ của giản đồ chũm sao (4-CAP, 64-CAP, 512 CAP,...) hoặc cú thể tăng dải phổ tần số sử dụng, điều này làm cho kỹ thuật CAP cú khả năng thay đổi một cỏch linh hoạt. Hỡnh 2.5 biểu diễn sơ đồ chũm sao của phương phỏp điều chế 64-CAP.
64
Hỡnh 2.5 Pha và biờn độ trong điều chế 64-CAP
2.3.3.3 Kỹ thuật điều chế DMT
DTM (Discrete Multi Tone) là kỹ thuật điều chế đa õm tần rời rạc thuộc loại điều chế đa súng mang. DMT thực hiện chia băng thụng thành những băng con nhỏ 4,3125 Khz gọi là tone hay bin. Trong đú mỗi bin thực hiện điều chế QAM một cỏch độc lập bằng một súng mang riờng với mức điều chế khỏc nhau tựy thuộc vào chất lượng đường truyền dẫn tại tone đú, những tone cú chất lượng cao sẽ mang nhiều bit hơn những tone bị ảnh hưởng mạnh của nhiễu. Mức điều chế của mỗi tone ký hiệu là bit/tone và cú giỏ trị trong khoảng 0..15. Khi nhiễu khỏ nghiờm trọng ở một vài tone nào đú thỡ cú thể đỏnh dấu loại cỏc tone đú mà khụng ảnh hưởng gỡ đến cỏc tone khỏc, tức là đường truyền vẫn hoạt động bỡnh thường. DMT cho phộp thay đổi tốc độ linh hoạt với bước thay đổi là bội của 32 kbps. Mục đớch của việc chia thành cỏc băng nhỏ hơn là để giảm ảnh hưởng của nhiễu xuyờn õm.
Nếu dựng hết dải thụng của ADSL (cú độ rộng là 1,104 Mhz) thỡ phải sử dụng tổng cộng 256 tone nghĩa là 256 kờnh con (thực tế thỡ kờnh 256 khụng được sử dụng vỡ vậy chỉ cú 255 kờnh con cho ADSL). Trong đú kờnh con 1 sử dụng để truyền tớn hiệu thoại, kờnh con 2 đến 6 nằm trong dải bảo vệ
65
giữa thoại và dữ liệu, kờnh con 64 (tương ứng với tần số 69 Khz) dành để mang tớn hiệu hoa tiờu cho luồng lờn, cỏc kờnh con này khụng dựng để truyền dữ liệu và luụn gửi đi cặp bit (0,0) điều chế ở 4-QAM. Như vậy sẽ cú 25 tone cho hướng lờn và 249 tone cho hướng xuống. Hỡnh 2.6 mụ tả tổng quan về cỏch sử dụng băng tần trong phương phỏp điều chế QAM.
Hỡnh 2.6 Cỏch chia băng tần trong DTM
Như vậy, băng thụng cực đại hướng lờn là: 25*15bit/symbol/Hz/kờnh * 4kHz =1,5 Mbps. Băng thụng cực đại hướng xuống là:
249*15bit/symbol/Hz/kờnh * 4kHz = 14.9 Mbps.
Nếu mọi tần số đều hoạt động tốt thỡ mỗi kờnh cú thể mang số lượng bit như nhau. Tuy nhiờn do ảnh hưởng của tạp õm lờn cỏc tần số khỏc nhau là khỏc nhau vỡ vậy cỏc kờnh hoạt động ở những miền tần số cú ớt nhiễu hơn sẽ mang nhiều bit hơn những kờnh hoạt động ở những miền tần số bị ảnh hưởng mạnh của nhiễu.
66
Trong quỏ trỡnh khởi tạo và vận hành, modem ADSL phải tớnh toỏn tốc độ bit cực đại mà nú cú thể chốn vào mỗi kờnh con. Tại những miền tần số thấp thỡ suy hao ớt, tỉ số tớn hiệu trờn lỗi cao vỡ vậy cỏc kờnh hoạt động ở cỏc tần số thấp cú thể sử dụng phương phỏp điều chế lớn hơn 10bit/symbol/Hz trong những điều kiện chất lượng đường dõy xấu tốc độ bit/symbol/Hz cú thể giảm xuống thấp hơn để phự hợp với tỉ số tớn hiệu trờn lỗi của đường dõy, đảm bảo tỉ số lỗi bit cho phộp. Ngoài ra cỏc kờnh con cú xuyờn õm hoặc nhiễu tần số vụ tuyến quỏ lớn cú thể được đỏnh dấu để khụng mang thụng tin.
- Ưu điểm của DMT
Phỏt triển từ cụng nghệ modem thoại (V34), sử dụng một số kỹ thuật tiờn tiến để đạt được tốc độ dữ liệu tối đa trờn đường dõy điện thoại. Modem ADSL dựa trờn DMT là đại diện cho sự tiến húa kỹ thuật của modem V34. Modem DMT sử dụng QAM, triệt tiếng vọng, mó lưới đa kớch cỡ, và sắp xếp hỡnh sao.
Sự thực thi: truyền được tốc độ bit tối đa trong cỏc khoảng băng tần nhỏ bởi vỡ cỏc kờnh con độc lập cú thể thao tỏc một cỏch riờng biệt đối với cỏc điều kiện đường dõy được xem xột. DMT đo tỉ số S/N một cỏch riờng biệt đối với mỗi kờnh con và ấn định số bit được mang bởi vỡ chỳng bị suy hao nhỏ hơn tại tần số cao.
Thớch ứng tốc độ: DMT linh hoạt hơn trong việc điều chỉnh tốc độ truyền, nú cú thể thớch ứng tốc độ dữ liệu đối với điều kiện đường dõy cụ thể. Mỗi kờnh con mang một số bit cụ thể phụ thuộc vào tỉ số S/N. Bằng việc hiệu chỉnh số bit trờn một kờnh, DMT cú thể tự động điều chỉnh tốc độ bit dữ liệu.
- Nhược điểm của DMT là cú nhiều súng mang nờn thiết bị phức tạp và
67
3.3.4 Cỏc kỹ thuật kiểm soỏt lỗi trong ADSL
3.3.4.1 Sửa lỗi trước FEC (Forword Error Correction)
Khối FEC cú tỏc dụng giỳp bờn thu cú thể thu đỳng thụng tin mà khụng đũi hỏi phải phỏt lại cỏc gúi tin bị lỗi. Chỳng thực hiện bằng cỏch chốn thờm cỏc byte kiểm tra vào sau phần tải (payload), cỏc byte kiển tra chiếm một phần rất nhỏ trong phần tải được truyền. Cỏc byte này cú tỏc dụng giỳp cho bờn thu cú thể giải mó một cỏch chớnh xỏc cỏc dũng số được nhận, với cụng suất là 3dB với tỉ lệ lỗi bit là BER = 10-7.
Trong cỏc hệ thống DSL thỡ thường cú hai loại FEC, loại thứ nhất là khối mó vũng hay thường được gọi là mó húa Reed-Solomon, cũn loại thứ hai gọi là mó xoắn (Trellis) hay cũn được gọi là phương phỏp điều chế và mó húa kết hợp.
a) Phương phỏp mó húa Reed - Solomon.
Phương phỏp này dựa trờn nền tảng của phương phỏp mó vũng hay núi đỳng hơn phương phỏp mó húa Reed-Solomon là tập con của phương phỏp mó vũng. Ngoài ra quỏ trỡnh mó húa Reed-Solomon cũng là trường hợp đặc biệt của phương phỏp mó húa BCH (Bose and Ray-Chaudhuri and Hoequenghem).
Trong cỏc hệ thống DSL thỡ phương phỏp mó húa Reed-Solomon sử dụng trường số học galois, đặc biệt là GF(256) cú nghĩa là trờn mỗi byte của từ mó Reed-Solomon cú thể đảm nhận một trong 256 giỏ trị bắt đầu từ 0 đến 255. Ngoài ra luật này cũn định nghĩa cỏc kết quả sẽ cú khi chỳng ta thực hiện cộng, trừ, nhõn, chia cỏc byte.
Cỏc từ mó Reed-Solomon được chia làm hai phần cố định, một mang thụng tin, một mang cỏc byte kiểm tra. Trong trường hợp sử dụng GF(256) thỡ tổng số byte trong từ mó phải nhỏ hơn 255, ngoài ra việc sử dụng cỏc trường
68
galois khỏc nhau cũng mang lại cỏc từ mó khỏc nhau. Vớ dụ như đối với cỏc hệ thống DSL thụng thường sử dụng trường galois là GF(256) thỡ kớch thước của từ mó cú thể là 240 byte, trong đú 224 byte là data cũn 16 byte là byte kiểm tra. Sau đõy là cấu trỳc của từ mó Reed-Solomon trong GF(256):
DATA PAYLOAD 224 bytes
Check Bytes 16 bytes
Ngoài ra một điểm mạnh khỏc của phương phỏp Reed-Solomon so với CRC là phương phỏp này khụng những phỏt hiện lỗi mà cũn cú khả năng sửa lỗi tại bờn thu. Tuy nhiờn số byte mà bộ giải mó Reed-Solomon cú thể sửa được chỉ bằng 1/2 số byte kiểm tra được dựng. Vớ dụ đối với trường hợp sử dụng GF(256) thỡ với độ dài byte kiểm tra là 16 byte thỡ chỉ cú 8 byte lỗi sẽ được sửa nếu tất cả cỏc byte này hoạt động trong 1 hàng (lỗi burst).
b) Phương phỏp mó xoắn
Phương phỏp mó xoắn cú cỏc từ mó khụng cú hai phần riờng biệt giống như mó Reed-Solomon, do vậy sẽ khụng xảy ra trường hợp tỏch cỏc byte kiểm tra ở bờn thu như trường hợp Reed-Solomon. Quỏ trỡnh tạo mó ở đõy là cỏc dũng bit đầu vào sẽ được tổ hợp theo một quy luật nhất định và thường thỡ việc tạo mó rất đơn giản, song quỏ trỡnh giải mó lại gặp rất nhiều khú khăn. Sơ đồ hỡnh 2.7 chỉ ra phương thức tạo mó xoắn.
69
Hỡnh 2.7 Nguyờn lý cơ bản của phương phỏp mó xoắn
Sơ đồ này đưa dũng bit dữ liệu vào bộ mó húa, tại đõy ứng với mỗi bit dữ liệu tại đầu vào sau khi được cộng modun 2 sẽ cho ra hai bit dữ liệu đầu ra. Và đõy là phương phỏp tạo mó đơn giản nhất với tốc độ bộ tạo mó là 1/2 và độ dài ràng buộc là 2. Tốc độ tạo mó ở đõy cho ta biết tỉ lệ giữa số bit đầu vào so với bit đầu ra, cũn độ dài ràng buộc cho ta biết số bộ trễ trong khối mó húa, hai tham số này luụn luụn hiện diện trong quỏ trỡnh tạo mó và nú quyết định đến độ sõu của từ mó. Ngoài hai tham số trờn trong bộ mó húa chũm sao cũn cú một tham số nữa và giỏ trị của tham số này được gọi là trạng thỏi của quỏ trỡnh mó húa. Giỏ trị của tham số này biểu thị tại hai ụ đầu tiờn trong sơ đồ, nú quyết định đến trạng thỏi giới hạn của mó xoắn.
Để bờn thu cú thể nhận đỳng được tớn hiệu thỡ nú phải cú bộ giải mó