Dịch vụ thoại bắt đầu năm 1877 khi Alexander Graham Bell kết nối điện thoại qua dõy sắt đơn với đất nhƣ đƣờng trở lại với mạch điện. Nú trỏnh đƣợc chi phớ của đƣờng dẫn thứ hai, nhƣng tớn hiệu truyền khụng tin cậy do rũ rỉ kết nối đất và tớnh dẫn điện kộm trong khoảng dài do thời tiết khụ. Cỏc vấn đề này đƣợc giải quyết sau đú bằng cỏch sử dụng cặp dõy vừa đủ, đƣợc kộo song song cỏch nhau vài cm. Điều này giỳp cho đƣờng về tin cậy. Tuy nhiờn, hiện tƣợng xuyờn õm nhanh chúng đƣợc phỏt hiện ra khi tớn hiệu băng thoại từ một cặp dõy ghộp điện từ với cặp dõy bờn cạnh. Tớn hiệu trờn một đƣờng thoại cú thể nghe thấy yếu ớt trờn cỏc đƣờng khỏc. Ngƣời ta cũng phỏt hiện rằng xuyờn õm sẽ đƣờng giảm bằng cỏch đổi chỗ định kỳ vị trớ dõy dẫn bờn trỏi và bờn phải. Cả việc cải thiện hiệu năng truyền dẫn và dễ dàng thiết lập đều đƣợc thực hiện. Bell cũng phỏt minh ra cỏp xoắn đụi năm 1881, với hai dõy dẫn cỏch điện xoắn vào với nhau. Khụng gian đủ ngắn giữa cỏc vũng xoắn, năng lƣợng ghộp điện từ qua cỏc đoạn nhỏ của dõy đƣợc loại bỏ bởi đƣợc ghộp ngƣợc pha ở đoạn dõy tiếp theo. Cỏp điện thoại hiện đại đƣợc thiết kế với mức độ xoắn khỏc nhau nhỏ với mỗi cặp dõy đảm bảo xuyờn õm nhỏ nhất. Dõy dẫn đồng đƣợc dựng để làm giảm tớn hiệu suy hao do trở khỏng. Dõy dẫn nhụm đƣợc thiết lập ở Chõu Âu trong thời gian ngắn nhƣng sau đú khụng dựng do trở khỏng cao và vấn đề nối dõy.[1]
3.2 Mạng điện thoại và cỏc đặc trưng thiết bị dõy dẫn
Cơ sở hạ tầng cỏp xoắn đụi kết nối khỏch hàng tới cụng ty điện thoại, đƣợc thiết kế để cung cấp cỏc dịch vụ điện thoại tin cậy và kinh tế. Thiết bị dõy dẫn dựng cho DSL và POTS sẽ đƣợc thiết kế khỏc nhau. Thiết kế mạch cục bộ cú một ớt thay đổi trong 20 năm qua. Những thay đổi cơ bản là sử dụng cỏp cú tuổi thọ dài hơn và giảm một ớt chiều dài đƣờng dõy thụng qua sử dụng mạch mang số (DLC). Tuy nhiờn, DSL phải đối phú với thiết bị dõy dẫn đó cú sẵn, một trong số đú đó 75 tuổi.
Thuật ngữ vũng “loop”- dõy dẫn chỉ đƣờng điện thoại xoắn đụi từ CO tới khỏch hàng. Thuật ngữ này xuất phỏt từ dũng chạy qua mạch từ CO trờn một dõy và quay trở lại trờn đƣờng dõy khỏc.
Trong 100 năm đầu, mạch điện thoại cú một mục đớch: phục vụ thoại toàn cầu. Độ tin cậy cao đƣợc đặt ở vị trớ ƣu tiờn đầu tiờn, giỏ cƣớc thấp ở vị trớ ƣu tiờn thứ hai. Thoại đƣợc mang là tớn hiệu tƣơng tự cú băng thụng 3.4kHz. Cỏc dịch vụ dựa trờn thoại bắt đầu tăng đỏng kể trong năm 1970.
3.2.4 Kớch cỡ dõy dẫn:
Hầu hết cỏc thiết bị dõy dẫn ở Mỹ theo thúi quen gọi là trở khỏng thiết kế 1300ohm. Theo thƣờng lệ, 10,000feet đầu của cỏp từ CO là 26. Đơn vị đo đƣờng kớnh dõy Mỹ (AWG, đo đƣờng kớnh của dõy). Xa hơn điểm này, kớch thƣớc dõy lớn hơn đƣợc dựng để trỏnh trở khỏng đƣờng dõy quỏ lớn. Núi chung, thiết bị đƣờng dõy thƣờng dựng dõy 24AWG ữ26AWG trong đoạn đầu và 19AWG hoặc 22 AWG ở cỏc đoạn xa hơn.
3.6 Nhiễu
Nhiễu trờn đƣờng dõy thƣờng xuất hiện do bộ cõn bằng khụng hoàn hảo. Cú rất nhiều loại nhiễu bị ghộp vào qua bộ cõn bằng khụng hoàn hảo vào đƣờng dõy điện thoại, phổ biến nhất là nhiễu xuyờn õm, nhiễu radio, và nhiễu đơn xung.
3.6.1 Nhiễu xuyờn õm
Nhiễu xuyờn õm trong DSL tăng, do cỏc dõy độc lập trong một cặp cỏp xoắn đụi bức xạ điện từ. Cỏc trƣờng điện và từ tạo ra dũng cảm ứng trong cặp cỏp xoắn đụi bờn cạnh, gõy ra tớn hiệu xuyờn õm khụng mong muốn trờn cỏc cặp cỏp khỏc. Hỡnh 3.1 minh hoạ hai loại xuyờn õm thƣờng cú trong DSL. Xuyờn õm đầu gần (NEXT) là loại xuyờn õm xuất hiện từ cỏc tớn hiệu truyền theo hƣớng ngƣợc lại trờn hai cặp dõy xoắn (hoặc từ mỏy phỏt tới mỏy thu phớa gần đú). Xuyờn õm đầu xa (FEXT) là kết quả khi tớn hiệu truyền trờn cựng một hƣớng trờn 2 cặp dõy xoắn đụi (hay từ mỏy phỏt sang mỏy thu phớa cuối xa).
Hỡnh 3.1. Minh hoạ nhiễu xuyờn õm
Xuyờn õm là nhiễu gõy hại lớn nhất trong dõy xoắn đụi và làm giảm hiệu suất khi nú khụng đƣợc loại bỏ. Trong trƣờng hợp dựng cỏp, cả hai dõy trong một cặp xoắn và cả hai dõy trong cặp xoắn khỏc đều cú thể tạo nhiễu do ghộp. Cú hỗ cảm lẫn nhau, M, giữa cỏc đoạn dõy, và đồng thời cú cả dung khỏng, E, giữa chỳng với nhau. Để kiểm soỏt tốt cỏc cỏp trong cặp dõy xoắn đụi, cảm khỏng và dung khỏng sẽ đƣợc điều khiển bằng cỏch xoắn vào với nhau do đú cỏc đoạn gần nhau của cặp dõy xoắn đụi sẽ cú cực đối nhau và sẽ loại bỏ tớn hiệu cảm. Tuy nhiờn, cỏch xoắn này khụng tốt, cũng nhƣ cỏc giỏ trị khụng hoàn hảo của cảm khỏng và dung khỏng vẫn tồn tại qua chiều dài của cỏp xoắn đụi. Hơn nữa, sự biến thiờn của cảm khỏng và dung khỏng theo tần số lớn hơn sự biến thiờn theo
cỏc thụng số RLCG là cỏc đặc trƣng kim loại, cỏc tớn hiệu dọc theo cặp dõy xoắn riờng biệt. Tuy nhiờn, rất hợp lý khi ghộp từ tớn hiệu kim loại trờn cặp xoắn đụi khỏc với tớn hiệu kim loại trờn cặp ta quan tõm là hằng số đối với chiều dài trung bỡnh (nhƣ là ta giả sử rằng cỏc thụng số RLCG là hằng số với mỗi đơn vị chiều dài). Hàm ghộp (tớnh theo Hz) giữa điện ỏp thay đổi trờn đƣờng 2 và đƣờng 1, X21(f), cú thể tỡm thấy qua sự khỏi quỏt lý thuyết hai cổng (khi biết cỏc thụng số M và E) do đú
) , ( . 2 ). ( ) , ( 21 2 1 f x X f jf V f x Np p (3.1)
với Np1(f,x) là điện ỏp cảm khỏng trờn cặp 1 ở tần số f ở vị trớ x dọc theo cỏp truyền dẫn, và Vp2(f,x)là điện ỏp gõy ra xuyờn õm trờn cặp dõy xoắn thứ hai. Yếu tố 2j
là sự thay đổi của điện ỏp hay dũng điện trờn cặp dõy khỏc và thực tế dẫn đến dũng điện/điện ỏp cảm ứng (yếu tố này tƣơng ứng với phộp vi phõn). Cú một hàm xuyờn õm trờn mỗi đơn vị chiều dài giống nhau từ cặp 1 sang cặp 2, và với mỗi cặp trong cỏp sang một hay cỏc cặp khỏc.
3.6.1.1 Mụ hỡnh NEXT
Với NEXT (xuyờn õm đầu gần) qua chiều dài d của cỏp với 2 cặp xuyờn õm, thấy rằng bằng cỏch lấy tổng cỏc xuyờn õm qua mỗi đơn vị tăng lờn chiều dài.
d X f jf T f x T f x dx d f N 0 1 2 21( ).2 . ( , ). ( , ). ) , ( (3.2) với Vp2(f)là lối vào (đầu gần) với cặp 2, T2(f,x) là hàm truyền chốn dọc theo đƣờng 2
theo chiều x, và T1(f,x) là hàm truyền tƣơng ứng ngƣợc lại trờn đƣờng 1. Hàm truyền chốn trờn giả thiết đƣờng dõy bị giới hạn tại x trong trở khỏng đặc trƣng của nú. Hầu hết cỏc phõn tớch xuyờn õm đều đặt một số giả thiết, thƣờng là đƣờng dõy bị giới hạn bởi đặc trƣng trở khỏng và hai đƣờng dõy cú cỏc thụng số RLCG giống nhau. Hơn nữa, vỡ xuyờn õm đƣợc xem nhƣ là nhiễu, nờn ta chỉ quan tõm đến biờn độ bỡnh phƣơng của biến đổi Furier. Trong trƣờng hợp này, phƣơng trỡnh trờn trở thành:
d x p f e dx V F X f d f N 0 4 2 2 2 21 2 2 2 . ) ( . ) ( . 4 ) , ( 4 1 . ) ( . ) ( . 4 4 2 2 2 21 2 2 d p e f V F X f (3.3)
Giả sử đƣờng dõy xoắn đụi cú . f , và lƣợng luỹ thừa là nhỏ so với chiều dài đƣờng dõy d, do đú, mụ hỡnh phổ biến là
2 2 2 21 5 . 1 2 2 2 ) ( . ) ( . ) ( ) , (f d N f f X f V f N p (3.4)
Sự tăng phổ biến với f1.5
rất thụng dụng và hiệu quả. Tuy nhiờn, do một số giả thiết về giới hạn đƣờng dõy hoàn hảo, đặc trƣng đƣờng dõy khụng thay đổi, và vị trớ bất biến, một số mụ hỡnh xuyờn õm phức tạp hơn phự hợp với luỹ thừa của f gần 1.5, trong khoảng từ 1.3 đến 1.7 khi đo đạc cũng nhƣ kinh nghiệm xỏc định cỏc yếu tố hằng số.
Ở một tần số cho trƣớc,chỉ cú một số cặp khỏc cú thể gúp phần đỏng kể vào xuyờn õm, nhƣng với tất cả cỏc tần số thỡ cú rất nhiều đƣờng đúng gúp. Do đú, cỏc kỹ sƣ DSL tớnh trung bỡnh với nhiều cặp. Trong trƣờng hợp này, tổng của nhiều hàm ghộp đƣợc coi là hằng số,
X (f)2 k'
n
n
(3.5) Kinh nghiệm nghiờn cứu quyết định giỏ trị của hằng số là 50 cặp cú hàm ghộp là: ) ( . . ) (f k f1.5 S2 f Sn next (3.6) với knext đƣợc quyết định bởi cỏc nghiờn cứu ANSI là
6 3 49 . 10 N knext (3.7) và n là số cặp trong nhúm mang dịch vụ tƣơng tự DSL. Bảng dƣới đõy chỉ ra giỏ trị ghộp xuyờn õm cho một số tần số và một số nguồn xuyờn õm.
Bảng: Suy giảm xuyờn õm theo dB
Số nguồn nhiễu Tần số (kHz) 1 10 24 49 3 -88 -82 -79.7 -77.8 30 -73 -67 -64.7 -62.8 300 -58 -52 -49.7 -47.8 3000 -43 -37 -34.7 -32.8
Vỡ vậy, vớ dụ để tỡm nhiễu xuyờn õm từ mạch ISDN tới cặp xoắn đụi khỏc cho nhúm cỏp cú 24 mạch ISDN, mật độ phổ cụng suất trờn một đƣờng dõy trong nhúm đƣợc mụ hỡnh là: 10 . . ( ) 49 24 ) (f 6 13 f1.5 S SDN f Sn I (3.8)
Cụng thức dựng với tất cả cỏc loại xuyờn õm sẽ đƣợc trỡnh bày trong phần 3.7
trong phần tƣơng thớch phổ. Với xuyờn õm giữa cỏc nhúm, Knext bị giảm thờm 10dB và Knext=10-14.
3.6.1.2 Mụ hỡnh FEXT
Mụ hỡnh FEXT tƣơng tự nhƣ NEXT. Theo ANSI, mụ hỡnh FEXT nhƣ sau: Sf(f)kfext.f2.d.H(f,d)2S2(f) (3.9) với d là độ dài, H(f,d)2 là hàm truyền từ lối vào, S2(f)là mật độ phổ cụng suất lối vào, và 6 20 10 9 . 49 N x kfext (3.10)
Và Bellcore đó phờ chuẩn giỏ trị này tƣơng ứng với giỏ trị trong trƣờng hợp xấu nhất 1% ở tần số 30MHz.
3.6.2 Nhiễu õm tần (Radio Noise):
Nhiễu õm tần là phần dƣ thừa của tớn hiệu truyền dẫn khụng dõy trờn đƣờng dõy điện thoại, đặc biệt là đài AM quảng bỏ và cỏc truyền dẫn khụng chuyờn dụng.
Tớn hiệu tần số õm tần ảnh hƣởng lẫn nhau trờn đƣờng điện thoại xoắn đụi, đặc biệt là cỏc đƣờng dõy anten. Đƣờng điện thoại, thƣờng đƣợc làm bằng đồng, cú thể làm anten rất tốt với cỏc súng điện từ trƣờng. Điện ỏp mức thụng thƣờng của cặp dõy xoắn đụi hay đụi dõy dẫn với đất – thụng thƣờng hai mức điện ỏp này giống nhau vỡ hai dõy cũng tƣơng tự nhƣ dõy xoắn đụi. Đƣờng dõy điện thoại cõn bằng tốt sẽ thấy mức suy giảm đỏng kể trong tớn hiệu RF vi phõn trờn dõy đối với tớn hiệu thụng thƣờng. Tuy nhiờn, sự cõn bằng giảm với tần số tăng, với tần số từ 560Hz đến 30MHz, hệ thống DSL cú thể cú cỏc băng tần chồng lặp và cú cựng một số mức nhiễu RF với tớn hiệu DSL vi phõn trờn cựng đƣờng dõy điện thoại.
3.6.3 Nhiễu đơn xung.
Nhiễu đơn xung là nhiễu xuyờn õm khụng dừng từ cỏc trƣờng điện từ tạm thời ở vựng xung quanh dõy thoại. Một vớ dụ về nhiễu đơn xung nhƣ đúng mở cửa tủ lạnh (motor sẽ bật/tắt), điện ỏp điều khiển thang mỏy (đƣờng điện thoại trong cỏc phũng của toà nhà thƣờng chạy qua cỏc ống thang mỏy), và chuụng điện thoại trờn cỏc đƣờng trong cựng một bú. Mỗi nhõn tố trờn đều là tạm thời và tỏn xạ nhiễu vào cỏc đƣờng dõy điện thoại khỏc cú cựng một cơ chế và ở tần số rất thấp.[4]
Điện ỏp vi phõn cảm ứng thƣờng chỉ khoảng vài mV, nhƣng cú thể lờn đến 100mV. Mức điện ỏp này tƣởng chừng nhỏ, nhƣng suy giảm rất nhanh với tần số cao trờn
cặp dõy xoắn đụi, điều này cú nghĩa là nhiễu đơn xung rất lớn so với mức tớn hiệu DSL nhận đƣợc ở mỏy thu. Mức điện ỏp thụng thƣờng gõy ra.
3.7 Tương thớch phổ:
Tƣơng thớch phổ là thuật ngữ thƣờng đƣợc sử dụng để chỉ mức độ xuyờn õm lẫn nhau giữa cỏc dịch vụ DSL. Nú cũng thƣờng đƣợc dựng để chỉ bức xạ RF. Khi số lƣợng dịch vụ DSL tăng, mối quan tõm là sự giả định về thiết kế của cỏc thiết bị modem với một loại dịch vụ sẽ dẫn đến cỏc lỗi trong cỏc loại thiết bị modem khỏc cựng dựng chung cỏp. Với cỏc thiết bị ISDN, HDSL, ADSL, VDSL, và đụi khi là cỏc thiết bị khụng tiờu chuẩn cũng đƣợc triển khai, cú khả năng làm tăng việc bỏ sút cỏc trạng thỏi cho trƣớc cú nhiễu khụng thể chấp nhận đƣợc. Nhúm ANSI đó cú dự ỏn chuẩn để nghiờn cứu khả năng này. Sau đõy ta định nghĩa một số vấn đề và liệt kờ cỏc mật độ phổ cụng suất quen thuộc.
3.7.1 Nhiễu giữa cỏc loại DSL và Multiplexing.
Tƣơng thớch phổ là để chỉ khả năng chồng lặp của băng thụng truyền dẫn trờn cỏc DSL khỏc nhau cựng dựng chung một cỏp hay trong cựng một nhúm. Nhiễu xuyờn õm cú thể đủ lớn ở tần số cao làm giỏn đoạn cỏc dịch vụ khỏc. Vớ dụ đỏng chỳ ý là mạch T1. Mạch T1 đó đƣợc triển khai hàng năm bởi cỏc cụng ty điện thoại và đƣợc thiết kế và tiờu chuẩn hoỏ vào lỳc kỹ thuật truyền dẫn cũn chƣa biết rừ tƣơng thớch phổ. Mạch T1 làm mất năng lƣợng vào kờnh từ dũng 1 chiều vào 3 đến 4MHz để truyền dịch vụ số 1.544MHz sử dụng kỹ thuật truyền dẫn dữ liệu hoỏ làm lóng phớ băng thụng và năng lƣợng. Xuyờn õm từ cỏc dịch vụ cụ thể này lớn hơn những dịch vụ khỏc. May mắn là, cỏc đƣờng T1 ớt thụng dụng vỡ sự thay thế dần dần của nú để sử dụng phƣơng phỏp mới hơn, hiệu quả hơn trong HDSL. (Cỏc đƣờng T1 chỉ đƣợc thay thế khi khụng dựng dịch vụ này nữa). Xuyờn õm HDSL ớt ảnh hƣởng tới cỏc dịch vụ khỏc. Truyền dẫn ADSL 6Mbps gấp 4 lần tốc độ T1, nhƣng khụng ảnh hƣởng nhƣ cỏc nguồn nhiễu xuyờn õm. Nú vẫn cú một ớt ảnh hƣởng, đặc biệt là với cỏc dịch vụ mới hơn nhƣ VDSL.[6]
Do đú, vấn đề là xỏc định băng thụng sử dụng với cỏc dịch vụ khỏc nhau theo cỏch là ớt xõm lấn lờn cỏc dịch vụ khỏc trong cựng một cỏp. Nguyờn tắc thƣờng đƣợc sử dụng là cỏc dịch vụ mới khụng đƣợc xõm lấn hơn bất kỳ dịch vụ nào đang tồn tại vào bản thõn nú
Nhiễu nền thụng thƣờng trờn cỏp xoắn đụi khụng lớn hơn -140dBm/Hz,vỡ thế cỏc nhiễu này rất khụng đỏng kể. Băng thụng DSL rộng hơn thƣờng khai thỏc truyền dẫn ở tần số cao trờn cỏc đƣờng dõy ngắn hơn vỡ nhiễu xuyờn õm từ cỏc dịch vụ đang tồn tại sẽ nhỏ hơn vỡ tớn hiệu bị suy giảm ớt hơn trờn đƣờng dõy.
3.7.2 Tự nhiễu
Tự nhiễu xuyờn õm là xuyờn õm vào dịch vụ bởi chớnh DSL. Loại tƣơng thớch phổ này là quan trọng nhất vỡ cỏc nhà cung cấp dịch vụ quyết định cung cấp dịch DSL hiện tại trờn phạm vi rộng. Do đú DSL của cựng một loại sẽ xuyờn õm lẫn vào nhau.
Bất đối xứng đầu tiờn đƣợc giới thiệu bởi Bellcore’s Joe Lechleider ở ADSL. ADSL truyền qua băng thụng truyền xuống rộng hơn truyền lờn, do đú hầu hết tớn hiệu truyền xuống khụng bị tự xuyờn õm. Điều này cho phộp tớn hiệu truyền xuống hoạt động ở tốc độ cao hơn nhiều so với khả năng cú thể với truyền dẫn đối xứng (với điều kiện tất cả cỏc yếu tố khỏc là nhƣ nhau). Vỡ cỏc phƣơng tiện giải trớ (truyền hỡnh trực tiếp và phim theo yờu cầu) và cỏc băng thụng bất đối xứng của ứng dụng Internet phự hợp với bất đối