ĐIỀU CHẾ VÀ XỬ LÝ TÍN HIỆU TRONG ADSL
2.2.2Các kỹ thuật điều chế
Trong sản phẩm ADSL, các mã đường truyền CAP, QAM, DMT được sử dụng phổ biến nhất, ngoài ra còn một số loại mã khác đang trong quá trình thử nghiệm.
• Phương pháp điều chế biên độ cầu phương QAM- Quarature Amplitude Modullation
QAM- điều chế biên độ cầu phương là một dạng điều chế pha sử dụng điều chế đa mức. Tín hiệu cầu phương sử dụng mã hoá đa mức trên một định nghĩa chung như tất cả các tín hiệu điều chế đa mức:
R=D/N (1)
Trong đó: R là: báo hiệu hoặc tốc độ điều chế D là: tốc độ dữ liệu tính bằng bit/s
Sử dụng biểu đồ pha cho điều chế cầu phương (hình 2.3) trong đó thuật toán sử dụng là sự kết hợp giữa hàm sin và hàm cos. Lúc đó tín hiệu cầu phương được đưa ra theo công thức sau:
Cos(2πfct+ϕ) = cosϕ. cos2πfct - sinϕ.sin2πfct (2)
Hình 2.3: Chùm tín hiệu 16-QAM
Chùm tín hiệu của M-QAM gồm một mạng các điểm bản tin hình chữ nhật như hình 2.3 cho trường hợp M=16 (16-QAM). Các chùm tín hiệu tương ứng cho các thành phần đồng pha và pha vuông góc được cho ở hình 2.4
Hình 2.4: Các thành phần đồng pha (a) và pha vuông (b) của tín hiệu 16- QAM
Hình 2.5: Sơ đồ khối bộ điều chế M-QAM
Sơ đồ khối của bộ điều chế M-QAM như hình 2.5. Bộ biến đổi nối tiếp/song song nhận luồng cơ hai với tốc độ bit Rb=1/Tb với Tb là thời gian của một bit tín hiệu và tạo ra hai chuỗi bit cơ hai song song có tốc độ bit là Rb/2. Các bộ biến đổi mức hai vào L mức (L=M1/2) tạo ra các tín hiệu M mức tương ứng với các đầu vào đồng pha và pha vuông góc. Sau khi nhân hai tín hiệu L mức với hai sóng mang có pha vuông góc rồi cộng với nhau ta được tín hiệu M-QAM.
Hình 2.6: Sơ đồ khối bộ giải điều chế M-QAM
Bộ giải điều chế có sơ đồ khối như hình 2.6. Việc giải mã các kênh cơ sở được thực hiện ở đầu ra của mạch quyết định, mạch này được thiết kế để so sánh tín hiệu L mức với L-1 ngưỡng quyết định. Sau đó hai chuỗi cơ hai được tách ra ở trên sẽ được kết hợp với nhau ở bộ biến đổi song song/ nối tiếp để khôi phục lại chuỗi cơ hai ban đầu.
• Phương pháp điều chế pha và biên độ không sử dụng sóng mang CAP: Phương pháp CAP tương tự như QAM nhưng quá trình điều chế tín hiệu được thực hiện trong miền tần số. Luồng số liệu đầu vào được chia thành 2 luồng số liệu rồi đi qua 2 bộ lọc số có biên độ bằng nhau nhưng pha khác nhau 900. CAP sử dụng toàn bộ băng thông trừ dải tần thoại và phân phối năng lượng bằng nhau trên toàn bộ dải tần số. Bộ thu của phương pháp điều chế QAM yêu cầu tín hiệu tới phải có phổ và hệ thức pha giống như phổ và pha của tín hiệu truyền dẫn. Do các tín hiệu truyền trên đường dây điện thoại thông thường thường không đảm bảo được yêu cầu này nên bộ điều chế của kỹ thuật ADSL phải lắp thêm cả bộ điều chỉnh thích hợp để bù phần méo tín hiệu truyền dẫn như hình 2.7.
Hình 2.7: Thu phát tín hiệu theo phương pháp điều chế CAP.
Điều chế CAP không sử dụng kết hợp trục tải trực giao bằng kết hợp sin và cos. Việc điều chế được thực hiện bằng cách sử dụng bộ lọc thông dải 2 nửa dòng dữ liệu số. Các bit cùng một lúc mã hoá vào một symbol và qua bộ lọc, kết quả đồng pha và lệch pha sẽ được biểu diễn bằng đơn vị symbol. Tín hiệu được tổng hợp lại đi qua một bộ chuyển đổi A/D, qua bộ lọc thông thấp LPF và tới đường truyền. Ở đầu thu, tín hiệu nhận được qua bộ chuyển đổi A/D, bộ lọc và đến phần xử lý sau đó mới giải mã. Bộ lọc phía đầu thu và bộ phận xử lý là một phần của việc cân bằng, điều chỉnh. Bộ cân bằng sẽ bù lại các tín hiệu đến méo.
CAP được thiết kế hoạt động trong băng tần 6,48 đến 25,92 MHz. Băng tần này có nghĩa là tín hiệu không hoạt động ở tần số thấp hơn, tránh ảnh hưởng của nhiễu. Đồng thời mục đích thiết kế như vậy để giới hạn công suất phổ của tần số dưới 30 MHz, do tăng sự suy hao của tần số cao trong đường truyền.
• Phương pháp điều chế đa âm tần rời rạc DMT - Discrete Multi Tone Modulation
DMT là kỹ thuật điều chế đa sóng mang. DMT phân chia phổ tần số thành các chu kỳ ký hiệu mang một số bit nhất định. Những bit này được mang trong những âm tần có tần số hoạt động khác nhau. Trong ADSL, dải tần 26 kHz-1,1 MHz được chia thành 256 kênh FDM 4 kHz, điều chế và mã hoá DMT được áp dụng cho từng kênh. Nếu ở mọi tần số trong dải tần đều có thể hoạt động tốt thì mỗi chu kỳ tín hiệu có thể mang cùng một số bit như hình 2.8.
Hình 2.8: Nguyên lý điều chế DMT
Tuy nhiên, ảnh hưởng tạp âm lên các tần số khác nhau cũng khác nhau. Vì vậy các kênh con hoạt động ở những miền tần số chất lượng cao sẽ mang
nhiều bit hơn những tần số bị ảnh hưởng mạnh của nhiễu. Số bit trên mỗi kênh con (tone) được điều chế bằng kỹ thuật QAM và đặt trên một sóng mang FDM.
Hình 2.9: DMT tránh phát ở những tần số có xuyên âm lớn
Ở những tần số thấp đôi dây đồng bị suy hao ít, SNR cao thường sử dụng phương pháp điều chế lớn hơn 10 bit/s/Hz. Trong những điều kiện chất lượng đường dây xấu, phương pháp điều chế có thể thay đổi 4bit/s/Hz hoặc thấp hơn để phù hợp với SNR và tránh được nhiễu. Hơn nữa, DMT có thể
tránh phát ở những dải tần số riêng có xuyên âm quá lớn hoặc bị nhiễu RFI như chỉ ra ở hình 2.9.
Sơ đồ khối một hệ thống truyền dẫn DMT được đưa ra ở hình 2.10. Tín hiệu số tốc độ cao được chia thành nhiều tín hiệu tốc độ thấp. Mỗi tín hiệu tốc độ thấp điều chế một kênh con. Những kênh con này được kết hợp và truyền trên dây đồng. Đến đầu thu, mỗi kênh con được thu và giải điều chế và tín hiệu được kết hợp và khôi phục lại tín hiệu tốc độ cao ban đầu.
Rõ ràng DMT và CAP đều là hai loại mã đường truyền hoạt động có hiệu quả trong dải tần số cao phía trên băng tần thoại. Tuy nhiên chúng có những nguyên lý làm việc khác nhau nên một bộ thu phát áp dụng kỹ thuật DMT không thể cùng hoạt động với một bộ thu phát ứng dụng kỹ thuật CAP. Những năm qua đã có nhiều cuộc tranh luận để lựa chọn loại mã đường dây tiêu chuẩn cho ADSL nhằm nhanh chóng đưa công nghệ ADSL ra thị trường, tăng tốc độ dịch vụ băng rộng với giá rẻ và giải quyết vấn đề tắc nghẽn lưu lượng mà mạng thoại đang phải gánh chịu. Cuối cùng DMT đã được chấp nhận là một tiêu chuẩn quốc tế mà cả ANSI và ETSI đều có văn bản xác nhận từ năm 1995 và được ITU phê chuẩn năm 1997. Nhiều nhà máy sản xuất các vi mạch tích hợp đang phát triển các thiết bị ADSL có khả năng tương tác dựa trên tiêu chuẩn này. Sở dĩ DMT được lựa chọn là do một loạt ưu điểm sau đây:
+ Khả năng tương thích: đây là một yêu cầu của cả khách hàng và các
nhà sản xuất cho bất kỳ một công nghệ viễn thông mới. Khách hàng thì mong muốn thiết bị mới mua về có thể làm việc cùng với những thiết bị cũ. Nhà sản xuất cần chiều theo ý khách hàng muốn mua modem của họ để sử dụng với thiết bị đầu cuối của hãng khác. Đây cũng là nguyên tắc lựa chọn thiết bị tiêu chuẩn. CAP không đáp ứng được yêu cầu này do nó là công nghệ được cung cấp từ một nguồn duy nhất là hãng Globenspan Semiconductor (trước đây thuộc AT&T/Paradyne). Những nhà cung cấp DMT đã chứng minh được khả năng làm việc tương thích của các modem do các hãng khác nhau sản xuất dựa trên cùng một công nghệ. Có nhiều hãng đang phát triển kỹ thuật DMT : Alcatel, Amati, Analog Devices/Aware, Orckit, Motorola, Texas Instruments và Pairgain có những chương trình riêng đều dựa theo tiêu chuẩn T1.413 có khả năng làm việc tương thích với nhau tạo thành thị trường cung cấp sản phẩm rộng lớn.
+ Khả năng chống nhiễu tốt nên thông lượng cao hơn: Về nguyên tắc (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
thì DMT và CAP đạt được thông lượng như nhau trên cùng một kênh nhưng thực tế thì có sự khác nhau giữa kiến trúc máy thu và phát cũng như các giới hạn thực thi đã ảnh hưởng tới hiệu năng của mỗi hệ thống. Kỹ thuật truyền dẫn tốt nhất thật sự có thể thích ứng tín hiệu đầu vào với khả năng của kênh truyền dẫn, cụ thể là phải phân phối công suất phát tín hiệu trong từng khoảng tần số đảm bảo sao cho phía thu nhận được tốt nhất. Trên đường dây điện thoại, những thành phần tần số cao bị suy hao nhiều hơn tần số thấp và nếu mạch vòng có các nhánh rẽ (bridge tap) thì một phần băng tần không sử dụng được. DMT xử lý các kênh con độc lập với trạng thái đường dây. DMT đo tỷ số SNR cho mỗi kênh con và dựa vào đó để gán cho mỗi kênh con một số bít nhất định. Những tần số thấp thường mang số bit nhiều hơn tần số cao do bị suy hao ít hơn. Kết quả là thông lượng đường truyền tăng lên ngay cả khi trạng thái đường dây xấu.
Ngoài ảnh hưởng của tạp âm nhiệt, kênh thoại còn chịu ảnh hưởng của tạp âm xung và RFI. Tạp âm xung trải rộng theo tần số nhưng tồn tại trong khoảng thời gian ngắn nên thường được xem là tạp âm miền thời gian. Do vậy nó chỉ ảnh hưởng nhỏ tới một kí hiệu trong nhiều kênh con DMT nhưng sẽ làm mất hoàn toàn một số kí hiệu trong kênh CAP. RFI là một loại tạp âm miền tần số chủ yếu do các trạm vô tuyến điều biên gây ra. Nhưng do hoàn toàn có thể xác định trước băng tần AM này nên modem DMT sẽ phân bổ công suất tín hiệu hiệu quả nhất cho phía thu, cụ thể là không phát tín hiệu trong khoảng tần số bị nhiễu vô tuyến. Chính vì vậy mà DMT là phương pháp chống nhiễu RFI hiệu quả và thông minh hơn hẳn CAP.
+ Khả năng đáp ứng tốc độ số liệu linh động theo trạng thái đường dây. Mỗi kênh con mang một số bit nhất định phụ thuộc tỷ số SNR của kênh
đó. Bằng cách điều chỉnh số bit/kênh, DMT có thể tự động điều chỉnh tốc độ số liệu với bước điều chỉnh nhỏ nhất là 32 kbit/s. Trong khi đó CAP cũng có
khả năng điều chỉnh tốc độ nhưng với bước điều chỉnh 640 kbit/s nên kém linh động so với DMT.
+ Công suất tiêu thụ ít hơn. Do DMT đo chất lượng đường truyền trong
từng khoảng tần số nên có thể tránh những khoảng tần số bị nhiễu mạnh dẫn tới công suất tiêu thụ của hệ thống giảm so với CAP khi hoạt động trong thực tế.
+ Tương thích phổ. Khi nhiều khách hàng đồng thời truy nhập vào các
node mạng để sử dụng các dịch vụ tốc độ cao của nhiều nhà cung cấp dịch vụ với các công nghệ khác nhau thì ảnh hưởng xuyên âm của các đôi dây đồng khác nhau trong cùng một bó cáp hay giữa các bó cáp khác nhau rất lớn. Để tránh hiện tượng này, một tiêu chuẩn đưa ra mặt nạ mật độ phổ công suất quy định mật độ phổ công suất PSD mà hệ thống có thể sử dụng cho tần số phát hướng lên và hướng xuống. T1E1 xác định mặt nạ PSD cho phép ADSL truyền ở tốc độ phải chăng nhưng tương thích với các dịch vụ khác trong khuyến nghị T1.413. Trong khi, hệ thống DMT đáp ứng được tiêu chuẩn này và không gây nhiễu cho các hệ thống khác thì CAP vi phạm và gây xuyên âm tới các hệ thống ADSL, VDSL, HDSL, S-HDSL thậm chí cả dịch vụ T1 trong bó cáp kế cận.
Tuy nhiên, trên thị trường hiện nay các modem ADSL sử dụng kỹ thuật CAP vẫn rất phổ biến do kỹ thuật CAP ra đời sớm hơn nên đã có quá trình phát triển lâu dài. Các hãng đã sản xuất loại modem ADSL theo kỹ thuật này vẫn cố gắng tìm cách cải tiến kỹ thuật này cho tốt hơn. Hơn nữa, trong kỹ thuật DMT để có đầy đủ các ưu điểm như trên đòi hỏi phải đo và giám sát thường xuyên chất lượng đường truyền cho mỗi kênh trong tổng số 256 kênh. Do vậy, cấu trúc của modem ADSL DMT cũng rất phức tạp.