Nghiên cứu công nghệ và ứng dụng điều chế trong ADSL

N NEXT Near End Crosstalk Xuyên âm đầu gần NID Network Interface Device Thiết bị giao tiếp mạng NSP Network Service Provider Nhà cung cấp dịch vụ mạng P PSD Power Spectral Density Mật đ

MỤC LỤC

THUẬT NGỮ VIẾT TẮT 3

DANH MỤC HÌNH VẼ 8

LỜI NÓI ĐẦU 10

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ MẠNG VIỄN THÔNG NGÀY NAY 12

1.1 Hiện trạng mạng viễn thông 12

1.2 Hạn chế của mạch vòng đường dây thuê bao 13

1.3 Nhu cầu và các phương pháp truy nhập băng rộng 14

1.3.1 Truy nhập bằng sợi quang 14

1.3.2 Truy nhập bằng vô tuyến 15

1.3.3 Truy nhập bằng cáp đồng trục 15

1.3.4 Truy nhập bằng xDSL 16

CHƯƠNG 2 CÁC KỸ THUẬT SỬ DỤNG TRONG CÔNG NGHỆ ADSL 18

2.1 Sự ra đời của chuẩn hoá ADSL 18

2.2 Các phương pháp điều chế 19

2.2.1 QAM 19

2.2.1.1 Nguyên lý điều chế 19

2.2.1.1 Giải điều chế 21

2.2.1.3 Một số đặc điểm của phương pháp điều chế QAM 22

2.2.2 Điều chế pha và biên độ không có sóng mang CAP 23

2.2.3 Điều chế mã đa tần rời rạc DMT (Discrete Multitone) 25

2.3 Sửa lỗi trước 29

2.3.1 Mã hoá Reed- Solomon (RS) 29

2.3.2 Mã hóa xoắn 30

2.4 Kỹ thuật đan xen 32

2.4.1 Đan xen khối 33

2.4.2 Đan xen xoắn 34

2.5 Ngẫu nhiên hoá 36

2.6 Cân bằng 37

2.7 Các phương pháp truyền dẫn song công 40

2.7.1 Truyền dẫn song công sử dụng FDM 40

2.7.2 Phương pháp triệt tiếng vọng (EC) 42

CHƯƠNG 3 HỆ THỐNG MẠNG ADSL 45

3.1 Mô hình tham chiếu hệ thống ADSL 45

3.2 Sơ đồ khối bộ thu phát 46

3.3 Các lớp truyền tải của ADSL 49

3.4 Cấu trúc khung 52

3.4.1 Đường nhanh 53

3.4.2 Đường đan xen 53

3.5 Sự thực hiện các khối trong bộ thu phát ADSL 62

3.5.1 Khối tạo/ tách CRC 62

3.5.2 Ngẫu nhiên và giải ngẫu nhiên 62

3.5.3 Khối FEC 62

3.5.4 Đan xen và giải đan xen 62

3.5.5 Sự phân bố tần số cho hệ thống ADSL 62

3.5.6 Sắp xếp tone và mã hoá chòm sao 64

3.5.7 Khối thêm tiền tố vòng 65

3.5.8 Cân bằng trong miền thời gian 66

3.5.9 Khối giải mã chòm sao và tách bit 66

3.5.10 Khối phục định thời 67

3.6 Quá trình khởi tạo của một modem ADSL DMT 67

3.7 Các chế độ phân phối dịch vụ trong ADSL 67

3.8 Mô hình ngăn xếp giao thức của hệ thống ADSL 71

3.9 Mạng ADSL 72

CHƯƠNG 4 CHƯƠNG TRÌNH MÔ PHỎNG HỆ THỐNG DMT 76

4.1 Giới thiệu về chương trình mô phỏng 76

4.2 Mã Matlab của chương trình mô phỏng 76

TÀI LIỆU THAM KHẢO 85

THUẬT NGỮ VIẾT TẮT

A

AAL ATM Adaptation Layer Lớp thích ứng ATM

ADC Analog Digital Conversion Bộ chuyển đổi tương tự sang số

ADSL Asymetric Digital Subscriber

ANSI American National Standard

ATM Asynchronous Transfer Mode Chế độ truyền dẫn không đồng bộ ATU ADSL Tranceiver Unit Khối thu phát ADSL

CBR Constant Bit Rate Tốc độ bit cố định

CPE Customer Premises

D

DAC Digital Analog Conversion Bộ chuyển đổi số sang tương tự

DLC Digital Loop Carrier Truyền tải mạch vòng số

DMT Discrete Multitone Điều chế mã đa tần rời rạc

DSL Digital Subscriber Line Đường dây thuê bao số

DSLAM DSL Access Module Khối ghép kênh truy nhập DSL

DASC Digital Access an Cross

Connect

Khối kết nối chéo và truy nhập dịch vụ

số

E

ETSI European Telecoms Standard

Institute Viện tiêu chuẩn viễn thông châu Âu

FSK Frequency Shift Key Điều chế khoá dịch tần

FTTB Fiber To The Building Cáp quang đến toà nhà

FTTCa Fiber To The Carbinet Cáp quang đến Cabinet

FTTC Fiber To The Curb Cáp quang đến cụn dân cư

FTTH Fiber To The Home Cáp quang đến tận nhà thuê bao

FTTO Fiber To The Office Cáp quang đến các cơ quan

FTTEx Fiber To The Exchange Cáp quang đến tổng đài

G

GE Giga Ethernet Giao diện kết nối mạng Ethernet với cáp

quang tốc độ rất cao

H

HDSL High-bit rate DSL Đường dây thuê bao số tốc độ bit cao HDTV High Definition Television Truyền hình chất lượng cao

HFC Hybrid Fiber Coax Mạng lai cáp đồng trục- cáp quang

ISDN Intergrated Service Digital

IP InterSymbol Inference Nhiễu xuyên ký hiệu

ISP Internet Service Provider Nhà cung cấp dịch vụ Internet

ITU International Telecoms Union Liên minh viễn thông Quốc tế

L

LMDS Local Multipoint Distribution

System

Hệ thống vô tuyến mặt đất phân bố đa điểm nội hạt

M

MDF Main Distribution Frame Giá phối dây

MDSL Medium DSL Đường dây thuê bao số tốc độ trung bình

MMDS Multichannel Multipoint

Distribution System Hệ thống phân phối đa kênh đa điểm MPEG Motion Picture Expert Group Nhóm chuyên gia ảnh động

N

NEXT Near End Crosstalk Xuyên âm đầu gần

NID Network Interface Device Thiết bị giao tiếp mạng

NSP Network Service Provider Nhà cung cấp dịch vụ mạng

P

PSD Power Spectral Density Mật độ phổ công suất

PSTN Public Switch Telephone

Network

Mạng điện thoại chuyển mạch công cộng

Q

QAM Quarature Amplitude

QoS Quality of Service Chất lượng dịch vụ

QPSK Quadrature Phase Shift Key Điều chế khoá chuyển pha cầu phương

S

SDH Synchonous Digital Hierachy Phân cấp số đồng bộ

SDSL Single pair DSL Dây thuê bao số một đôi sợi

SOHO Small Office Home Office Văn phòng tại nhà, văn phòng nhỏ SNR Signal Noise Ratio Tỉ số tín hiệu trên tạp âm

T

TDD Time Division Duplexed Truyền dẫn song công phân chia theo

thời gian TDM Time Division Mutiplexing Ghép kênh phân chia theo thời gian

V

VBR Variable Bit Rate Tốc độ bit thay đổi

VDSL Very high speed DSL Đường dây thuê bao số tốc độ rất cao

VDC Việt Nam Data Công ty điện toán và truyền số liệu

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1 Mô hình mạng viễn thông hiện đại 12

Hình 1.2 Mạch vòng đường dây thuê bao 13

Hình 2.1 Sơ đồ minh họa phương pháp điều chế QAM-16 trạng thái 20

Hình 2.2 Sơ đồ bộ điều chế QAM 20

Hình 2.3 Sơ đồ bộ giải điều chế QAM 21

Hình 2.4 Ảnh hưởng của số trạng thái đến SNR trong QAM 23

Hình 2.5 Sơ đồ khối bộ điều chế CAP 24

Hình 2.6 Bộ giải điều chế CAP 24

Hình 2.7 Sơ đồ minh họa phương pháp điều chế DMT cho 3 tần số 25

Hình 2.8 Sơ đồ khối điều chế DMT dùng DFT 28

Hình 2.9 Ví dụ về từ mã RS trong trường hợp GF (256) 30

Hình 2.10 Ví dụ về bộ mã hóa xoắn 31

Hình 2.11 Ví dụ cụ thể bộ mã hóa 31

Hình 2.12 Sơ đồ lưới tổng quát của bộ mã hóa xoắn 32

Hình 2.13 Nguyên lý thực hiện đan xen khối 33

Hình 2.14 Quá trình giải mã 33

Hình 2.15 Ví dụ về ảnh hưởng nhiễu đối với đan xen và không đan xen 34

Hình 2.16 Nguyên lý đan xen xoắn 35

Hình 2.17 Nguyên lý giải đan xen 35

Hình 2.18 Sơ đồ ngẫu nhiên hóa và giải ngẫu nhiên hóa 37

Hình 2.19 Mối quan hệ giữa lọc trong miền thời gian và tần số 39

Hình 2.20 Khối thêm tiền tố vòng 40

Hình 2.21 Phân chia băng tần của phương pháp FDM 41

Hình 2.22 Song công phân chia theo tần số 41

Hình 2.23 Sơ đồ nguyên lý của FDM 42

Hình 2.24 Song công theo nguyên lý EC 43

Hình 2.25 Phân tách tín hiệu lên/xuống bằng phương pháp EC 44

Hình 3.1 Mô hình tham chiếu hệ thống ADSL 45

Hình 3.2 Sơ đồ khối bộ thu/phát ADSL 47

Hình 3.3 Cấu trúc một siêu khung ADSL 53

Hình 3.4 Cấu trúc khung ADSL gồm các thành phần nhanh và đan xen 53

Hình 3.5 Cấu trúc chi tiết khung đường nhanh ADSL 54

Hình 3.6 Cấu trúc byte nhanh cho tất cả các khung ADSL 55

Hình 3.7 Cấu trúc khung đường nhanh sau khối FEC 57

Hình 3.8 Cấu trúc chi tiết khung đường đan xen ADSL 57

Hình 3.9 Từ mã FEC trên đường đan xen có S khung dữ liệu 59

Hình 3.10 Mật độ phổ của DMT trong ADSL dùng FDM 63

Hình 3.11 Ví dụ về sắp xếp tone 65

Hình 3.12 Mô hình ngăn xếp giao thức ADSL 72

Hình 3.13 Mạng ADSL 72

Hình 3.14 So sánh cấu hình CPE của G.DMT và G.Lite 73

Hình 4.1 Phân bổ số bit trong từng kênh 80

Hình 4.2 Tín hiệu các kênh đã được mã hóa 80

Hình 4.3 Tín hiệu sau khi điều chế IFFT để phát lên kênh truyền 81

Hình 4.4 Đáp ứng xung của kênh truyền 81

Hình 4.5 Tín hiệu thu được sau khi giải điều chế FFT 82

Hình 4.6 Tín hiệu bị lỗi 82

Hình 4.7 Lỗi của tín hiệu 83

LỜI NÓI ĐẦU

Ngày nay với sự bùng nổ thông tin, nhu cầu truyền tải dữ liệu đặc biệt là qua mạng Internet ngày càng tăng trong khi hệ thống truyền dẫn lạc hậu vẫn còn tồn tại rất nhiều Mạng PSTN vốn được thiết kế để phục vụ cho truyền thoại truyền thống Việc sử dụng các modem tương tự để truy nhập thông tin qua mạng PSTN tối đa chỉ

có thể đạt được tốc độ đường xuống là 56 Kbps và tốc độ đường lên tối đa là 33 Kbps Tốc độ này không đáp ứng được những nhu cầu ngày càng đa dạng của con người

Để giải quyết vấn đề này, người ta phải đưa ra các giải pháp cho vấn đề truy nhập thông tin, dịch vụ băng rộng Một mạng truyền dẫn và truy nhập toàn quang là một giải pháp lý tưởng đứng về mặt kỹ thuật dịch vụ Tuy nhiên để triển khai một mạng truyền dẫn quang thì rất tốn kém về kinh tế để đầu tư trang thiết bị Mặt khác, hầu hết mạng truyền dẫn vẫn còn là cáp đồng Như vậy để nâng cao tốc độ lại tận dụng được cơ sở hạ tầng cáp đồng thì phải có một phương pháp truy nhập băng rộng trên cáp đồng đó chính là ADSL

ADSL là công nghệ đường dây thuê bao số không đối xứng cho phép truyền dữ liệu trên đôi dây cáp điện thoại mà không ảnh hưởng tới tín hiệu thoại Với công nghệ này tốc độ đường xuống cao hơn tốc độ đường lên và có thể lên tới 8 Mbps; tốc độ đường lên có thể lên tới 640 Kbps

Ngày nay ADSL đã và đang được triển khai rộng rãi trên thế giới, ở Việt Nam sau khi qua giai đoạn thử nghiệm, ngày 1/7/2003 Việt Nam chính thức đưa ADSL vào khai thác Qua quá trình tìm hiểu em đã chọn ADSL là đề tài làm đồ án môn học có

tên là "Nghiên cứu công nghệ và ứng dụng điều chế trong ADSL" Nội dung đồ án

môn học được trình bày thành ba chương:

Chương 1: Tổng quan về mạng viễn thông ngày nay

Chương 2: Các kỹ thuật sử dụng trong công nghệ ADSL

Chương 3: Mạng ADSL

Chương 4: Chương trình mô phỏng hệ thống DMT

Do thời gian làm đồ án môn học, trình độ và kinh nghiệm có hạn, nên trong đồ án không tránh khỏi những thiếu sót Em rất mong nhận được sự góp ý của các thầy, cô giáo và các bạn

Cuối cùng điều em muốn nói là em xin chân thành cảm ơn các thầy, cô giáo ở Đại Học Bách Khoa Đà Nẵng đã truyền đạt những kiến thức và chỉ bảo cho em trong 5 năm học vừa qua Đặc biệt em xin chân thành cảm ơn thầy Nguyễn Duy Nhật Viễn

- giáo viên hướng dẫn- đã cung cấp tài liệu, tận tình hướng dẫn, chỉ bảo cho em trong suốt quá trình làm đồ án

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ MẠNG VIỄN THÔNG NGÀY NAY

1.1 Hiện trạng mạng viễn thông

Sau hơn 120 năm sau khi máy điện thoại được phát minh, mạng điện thoại đã được triển khai rộng khắp trên toàn thế giới Nhu cầu của con người là không có giới hạn

và do đó các nhà cung cấp dịch vụ phải không ngừng phát triển dịch vụ cũng như cơ

sở hạ tầng viễn thông để đáp ứng một cách tốt nhất các yêu cầu cuả khách hàng Các công ty điện thoại đã có một khối lượng đầu tư khổng lồ vào mạng điện thoại Ban đầu, các thiết kế chủ yếu được tính toán dành cho dịch vụ thoại Nhưng trong thời gian gần đây, cùng với sự bùng nổ của Internet trên toàn cầu rất nhiều dịch vụ mới đã ra đời Các dịch vụ này nói chung là có yêu cầu về độ rộng băng tần ngày càng lớn và không đối xứng Do đó nó yêu cầu một cơ sở hạ tầng phải được nâng cấp và hiện đại hoá để có thể cung cấp được các dịch vụ này tới mọi khách hàng ở mọi nơi, mọi lúc Hình 1.1 mô tả một mạng viễn thông điện thoại điển hình

Hệ thống truyền dẫn mạch thoại Chuyển

MDF

Hệ thống DLC

Trong mạng này, các thiết bị thuê bao được kết nối tới các tổng đài nội hạt thông qua một mạch vòng đường dây thuê bao Nó được kết cuối tới tổng đài tại giá phối dây chính MDF Các tổng đài được kết nối với nhau qua mạng liên đài (Inter-CO network) Với các tiến bộ của công nghệ truyền dẫn quang SDH, hầu như các mạng liên đài đã được quang hoá toàn diện và đã đảm bảo đáp ứng được nhu cầu cung cấp các dịch vụ tốc độ cao cho các thuê bao Nó có thể đảm bảo phục vụ cho tốc độ số liệu đường trục lên tới hàng chục Gbít

Tuy nhiên, khi nhìn ở góc độ mạng truy nhập vấn đề lại hoàn toàn khác Hiện nay

có trên một tỷ đường dây thuê bao trong mạng điện thoại PSTN trên toàn thế giới Trong đó, hơn 95% là cáp xoắn đôi dành cho dịch vụ thoại thuần tuý và chiếm một

tỷ lệ lớn trong vốn đầu tư vào cơ sở hạ tầng của các nhà cung cấp dịch vụ Nhưng

hệ thống này lại có một số hạn chế làm ảnh hưởng rất lớn đến khả năng cung cấp các dịch vụ truyền số liệu- là các nhu cầu thiết yếu hiện nay

1.2 Hạn chế của mạch vòng đường dây thuê bao

Mạch vòng đường dây thuê bao là mạch được hình thành từ kết cuối tổng đài đến thiết bị thuê bao như được mô tả trong hình vẽ 1.2 dưới đây:

Mạch vòng đường dây thuê bao thường là cáp xoắn đôi được thiết kế cho các dịch

vụ thoại truyền thống Dải tần yêu cầu chỉ từ 300 Hz đến 3400 Hz Nó chỉ phù hợp

để cung cấp các dịch vụ điện thoại và truyền dẫn tín hiệu modem tương tự tốc độ từ 9,6 kbps đến 33,6 kpbs và gần đây là 56kbps Băng tần này không đủ để truyền tải các ứng dụng khác như dữ liệu và video hay truy nhập Internet tốc độ cao- những

Điểm phân phối dây

Tổng

đài-MDF

Hình 1.2: Mạch vòng đường dây thuê bao

Vòng dây thuê bao

dịch vụ yêu cầu tốc độ bít lên tới hàng trăm kbps thậm chí vài Mbps Trong khi các dịch vụ này đang có nhu cầu cao và ngày càng bùng nổ theo sự phát triển của Internet, hứa hẹn một nguồn lợi nhuận khổng lồ cho các nhà cung cấp dịch vụ

Để đảm bảo cung cấp được các dịch vụ tốc độ cao này tới khách hàng đòi hỏi các nhà cung cấp dịch vụ phải có các biện pháp để mở rộng băng tần cho mạch vòng đường dây thuê bao

1.3 Nhu cầu và các phương pháp truy nhập băng rộng

Các dịch vụ băng rộng là dịch vụ truyền với tốc độ lớn hơn 2 Mbps và có khả năng tích hợp cả số liệu thoại, hình ảnh video và các tốc độ khác nhau Từ khi ra đời, máy tính đã đóng góp vai trò quan trọng trong đời sống xã hội con người, các máy tính được kết nối lại để tạo thành mạng máy tính và mạng Internet Những năm gần đây do giá thành của máy tính giảm nhanh làm cho máy tính trở nên phổ biến trong các gia đình, các cơ quan, các trường học và đã đến lúc nhu cầu kết nối máy tính với thế giới bên ngoài ngày càng cao Nhờ tốc độ xử lý máy tính tăng cao mà truy nhập Internet với www bây giờ không thuần tuý là văn bản mà là sự kết hợp của cả

âm thanh, văn bản và hình ảnh có chất lượng (kể cả ảnh động) Điều này đòi hỏi phải truyền dữ liệu với tốc độ cao

Cùng với sự phát triển của máy tính thì Video theo yêu cầu cũng là một đòi hỏi tích cực khách hàng ở cả hiện tại và tương lai Các công ty điện thoại muốn truyền tín hiệu Video qua mạng PSTN tới khách hàng qua mạch vòng nội hạt để cạnh tranh với các công ty truyền hình cáp thường tốc độ đòi hỏi của dịch vụ này cỡ 3 Mbps và mạch vòng phải có giải pháp phù hợp để đáp ứng yêu cầu

1.3.1 Truy nhập bằng sợi quang

Khả năng truyền dân của sợi quang đã làm thay đổi hầu như toàn bộ năng lực của mạng viễn thông Cáp sợi quang có những phẩm chất mà cáp đồng không thể nào

có được Đó là băng thông rất lớn và khả năng chống nhiễu cực kỳ tốt với suy hao nhỏ nên truyền tốc độ cao là rất tốt Người ta đã xây dựng nhiều hệ thống thông tin quang như hệ thống điều chế biên độ và tách sóng trực tiếp, hệ thống thông tin quang coherent và truy nhập quang có thể được xây dựng thành các hệ thống như:

cáp quang đến cụm dân cư (FTTC), cáp quang đến toà nhà (FTTB), cáp quang đến tận nhà (FTTH), cáp quang đến tận cơ quan (FTTO) Do chi phí đắt nên chỉ có thể triển khai hệ thống FTTC hoặc FTTO hoặc FTTB chúng được kết hợp với cáp đồng

để cung cấp tới từng thiết bị người sử dụng

1.3.2 Truy nhập bằng vô tuyến

Đây là phương pháp đã xuất hiện từ lâu và hiện đang được sử dụng rộng rãi trong truy nhập băng rộng đặc biệt là từ khi có vệ tinh viễn thông Hệ thống được sử dụng nhiều nhất hiện nay là các trạm vi ba mặt đất hoặc là vệ tinh Trên mặt đất có thể kể đến hệ thống MMDS và LMDS

MMDS là hệ thống phân bố đa kênh, đa điểm Nó có thể gửi 33 kênh truyền hình tương tự hoặc 100 kênh dưới dạng tín hiệu số tới các thuê bao hoặc Internet tốc độ cao dọc theo đường dây của các modem cáp đồng trục (cable modem)

LMDS (Local Multipoint Distribution System) là hệ thống vô tuyến điểm đến đa kênh, đa tế bào LMDS còn gọi là truyền hình cáp tổ ong (cellular cable TV) Các tế bào lân cận dùng các tần số giống nhau nhưng có phân cực khác nhau

Bên cạnh đó, các hệ thống quảng bá trực tiếp từ vệ tinh DBS (Direct Broadcast System) đã được triển khai, cung cấp hình ảnh TV đến nhiều hộ gia đình Khuôn dạng tín hiệu ở dạng số sử dụng nén số liệu MPEGII để tận dụng băng thông DBS chỉ cung cấp đường xuống còn đường lên được yêu cầu qua modem điện thoại Do truyền từ vệ tinh và có quá trình xử lý nén số liệu nên có độ trễ tương đối lớn Đễ giảm trễ ngày nay đã sử dụng hệ thống vệ tinh quỹ đạo thấp

Mạch vòng thuê bao vô tuyến WLL cũng là một giải pháp được sử dụng ở nhiều nơi trên thế giới WLL có ưu điểm là lắp đặt được triển khai nhanh chóng, dễ thay đổi cấu hình lắp đặt lại ở phía thuê bao, dễ triển khai ở những khu vực có địa hình hiểm trở Tuy nhiên chi phí cho một thuê bao vẫn cao hơn so với cáp đồng và dung lượng

bị hạn chế theo dải tần được cung cấp bởi cơ quan quản lý tần số

1.3.3 Truy nhập bằng cáp đồng trục

Đây là phương pháp được triển khai bởi nhà cung cấp truyền hình cáp Khi triển khai, cần lắp thêm cáp đồng trục từ điểm cung cấp dịch vụ tới thiết bị khách hàng

Điển hình là hệ thống cáp đồng trục kết hợp với cáp quang HFC (Hybrid Fiber/ Coax) Nó cung cấp cả dịch vụ số và tương tự, dùng băng tần từ 050 Mhz cho đường lên và từ 50 750 Mhz cho hướng xuống và truyền khoảng 100 kênh video tương tự (6 Mhz), với tín hiệu số mỗi kênh sóng mang 6 Mhz có thể đạt tốc độ 27 đến 38 Mbps

1.3.4 Truy nhập bằng xDSL

Như đã trình bày có thể xây dựng một đường dây mới tới nhà thuê bao với độ rộng băng tần đủ lớn như là cáp đồng trục hay cáp quang để cung cấp các dịch vụ băng rộng Do số lượng thuê bao là rất lớn trong khi các đường dây xoắn đôi hiện tại đã được lắp đặt lại không được sử dụng Nên biện pháp này sẽ không khả thi về mặt kinh tế, đòi hỏi nhà cung cấp dịch vụ phải đầu tư thêm một nguồn vốn khổng lồ Trong hoàn cảnh đó, họ đường dây thuê bao số xDSL đã ra đời như một giải pháp

về công nghệ cho phép các thuê bao truy nhập tới các dịch vụ yêu cầu tốc độ cao trên cáp đồng xoắn đôi hiện có mà không phải lắp đặt lại đường truyền dẫn mới từ nhà cung cấp dịch vụ tới thuê bao

DSL là một họ công nghệ rất có triển vọng trong mạng truy nhập số Sau khi ra đời,

nó đã được triển khai rộng khắp trên toàn thế giới với tốc độ phát triển rất cao Tới đầu năm 2002, nó đã vươn lên dẫn đầu với 25,6 triệu thuê bao vượt qua đối thủ chính là cable modem với 15 triệu thuê bao

Theo các số liệu thống kê của hãng Bell Labs (Bell Labs Techical Jurnal, 2 (2), Spring, 1997, trang 42-67) thì hầu hết lưu lượng trên Internet là không đối xứng: tức

là hầu như lưu lượng được gửi từ nhà cung cấp dịch vụ tới thuê bao còn theo hướng ngược lại là rất ít Một hướng công nghệ trong họ xDSL đã được thiết kế để phù hợp với yêu cầu thực tế này Đó là công nghệ đường dây thuê bao số không đối xứng ADSL (Asynmetric Digital Suscriber Line)

Dịch vụ ADSL cung cấp một số kênh truyền tải khác nhau phục vụ cho một số dịch

vụ khác nhau:

- Dịch vụ ADSL trên cùng một đôi dây với dịch vụ dải tần thoại Tín hiệu ADSL chiếm dải tần số cao hơn dải tần thoại và được tách ra bởi bộ lọc

- Dịch vụ ADSL trên cùng một đôi dây với dịch vụ ISDN Tín hiệu ADSL chiếm dải tần cao hơn dải tần thoại và được tách ra bởi bộ lọc

- Dịch vụ ADSL trên cùng một đôi dây với dịch vụ dải tần thoại (bao gồm POST và các dịch vụ truyền số liệu dải tần thoại) và với dịch vụ ISDN với đôi dây bên cạnh

Theo chiều mạng tới phía khách hàng các kênh truyền tải có thể gồm các kênh truyền tải song công tốc độ thấp và các kênh truyền tải đơn công tốc độ cao Trong chiều ngược lại ADSL chỉ cung cấp các kênh truyền tải tốc độ thấp

Như vậy, ADSL cho phép sử dụng đôi dây đồng xoắn đôi hiện có để cung cấp các dịch vụ yêu cầu băng thông rộng tới khách hàng Do đó, nó cho phép các nhà đầu tư tiết kiệm được một lượng vốn đầu tư đáng kể Mặt khác, do nhu cầu sử dụng dịch

vụ của khách hàng là không như nhau ở đường lên và đường xuống Cho nên ADSL cho phép sử dụng một cách hiệu quả băng tần của hệ thống truyền dẫn để đáp ứng cho các dịch vụ hiện nay và tương lai – Các dịch vụ hầu như là không đối xứng Do những ưu điểm nổi bật này, ADSL hiện đang là một giải pháp rất khả thi để cung cấp các dịch vụ băng rộng cho các hộ gia đình cũng như các doanh nghiệp vừa và nhỏ

Các kỹ thuật được sử dụng cũng như cấu hình của hệ thống ADSL sẽ được nghiên cứu và trình bày ở các chương sau của đồ án này

CHƯƠNG 2 CÁC KỸ THUẬT SỬ DỤNG TRONG CÔNG NGHỆ ADSL 2.1 Sự ra đời của chuẩn hoá ADSL

Như ta đã biết xDSL ra đời nhằm tận dụng năng lực truyền dẫn của các đôi dây cáp xoắn đã có, đồng thời nó là sản phẩm cạnh tranh với các phương tiện truyền dẫn khác ADSL cũng ra đời trong xu thế cạnh tranh, nó được đề xuất vào cuối năm

1989 bởi tiến sĩ Joseph Lecheider ADSL thực hiện phương thức truyền dẫn không đối xứng tốc độ cao Ban đầu ADSL nhằm mục đích cạnh tranh với các công ty truyền hình cáp trong việc cung cấp các dịch vụ Video theo yêu cầu (VoD: Video

on Demand) với tốc độ cho phép là 1,5 Mb/s (hai khuyến nghị H.261 của ITU và khuyến nghị của ISO MPEG đều đưa ra tốc độ truyền tín hiệu hình ảnh chuyển động là 1,3 Mb/s) ADSL cung cấp đồng thời các dịch vụ cho POTS (gồm có thoại, Fax ) mà vẫn đạt chất lượng tốt, dịch vụ POTS hoạt động độc lập ngay cả khi modem ADSL không hoạt động Để thực hiện truyền đồng thời tín hiệu POTS và các tín hiệu tốc độ cao sử dụng phổ tần cao hơn phổ tần thoại, ADL sử dụng các phương pháp mã hoá tiên tiến (QAM, CAP, DMT) và hiện tại DMT được chọn là phương pháp mã hoá chuẩn

ADSL ngày càng được chuẩn hoá một cách đầy đủ, ban đầu là ở tầng vật lý, tiếp đó

là các giao thức tầng cao ANSI đưa ra chuẩn hoá mã hoá đường của ADSL là DMT, và sử dụng phương pháp truyền dẫn song công như FDM hay EC (Echo Canceled) và chuẩn ANSI cho ADSL được phát hành vào năm 1995 với tên gọi là T1.413i2 ITU dựa trên nhiều tham khảo của các tổ chức chuẩn hoá đã đưa ra một loạt các chuẩn cho ADSL gồm:

 G.992.1 (G.dmt)- phiên bản quốc tế hoá của T1.413i2 với các phần phụ lục cho ADSL tốc độ đầy đủ

 G.992.2 (G.lite)-chuẩn hoá ADSL lite hỗ trợ cho thị trường Internet rộng lớn và các ứng dụng của khách hàng

 G.994.1 (G.hs)-Các thủ tục bắt tay

 G.996.1 (G.test)- các thủ tục kiểm tra cho các modem xDSL

 G.997.1 (G.ploam)-các hoạt động, quản trị, bảo dưỡng tầng vật

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 công 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 ADSL, người ta chủ yếu sử dụng hai phương pháp điều chế chính đó là DMT và CAP Đặc biệt là điều chế DMT được các nhà cung cấp sử dụng phổ biến để sản xuất thiết bị Cả hai phương pháp này đều xây dựng trên cơ sở của điều chế biên độ cầu phương vuông góc (QAM) vì vậy để hiểu được chúng ta trước hết phải biết QAM

2.2.1 QAM

2.2.1.1 Nguyên lý điều chế

Điều chế QAM sử dụng kết hợp cả biên độ và pha của sóng mang để điều chế luồng

số tín hiệu Nó sử dụng một cặp sóng mang Sin và Cosin với cùng một thành phần tần số để truyền tải thông tin về một tổ hợp bit Tại một thời điểm chỉ có một tín hiệu mang thông tin về một tổ hợp bít được truyền qua Sơ đồ minh hoạ cơ chế điều chế QAM16

Tín hiệu ứng với cụm 4 bit đó lần lượt được gửi đi trên đường truyền Tại phía thu, tín hiệu thu được là sự tổng hợp tín hiệu phát với tác động của can nhiễu trên đường truyền, khi đó pha và biên độ của tín hiệu đã bị thay đổi và được biểu diễn trực quan khi toạ độ của điểm ứng với tín hiệu thu được trên chòm sao sẽ lệch khỏi điểm

tương ứng ở phía phát một lượng nhất định Máy thu sẽ lựa chọn một điểm trên chòm sao có khoảng cách đến điểm thu được trên thực tế là nhỏ nhất bằng một bộ quyết định Sự quyết định này đôi khi sai lỗi nếu như nhiễu trên đường truyền lớn Như vậy chất lượng của tín hiệu QAM không chỉ phụ thuộc vào tác động của can nhiễu trên đường truyền mà còn phụ thuộc vào chất lượng hay độ chính xác của máy thu

Sau đây là sơ đồ khối và cơ sở toán học của phương pháp điều chế QAM

Bộ tạo sóng Sin

Bộ tạo sóng Cosin

Hình 2.2 Sơ đồ bộ điều chế QAM

4 bit đầu vào Truyền trên kênh truyền 4 bit đầu ra

Sự trực giao của 2 hàm sin và cos cho phép chúng truyền đồng thời trên cùng một kênh Xét trong khoảng thời gian, sự trực giao được thể hiện qua biểu thức (2.1)

Sơ đồ và nguyên lí giải điều chế QAM được mô tả trên hình 2.2 và hình 2.3

Dựa vào tính trực giao của hai hàm sin và cosin, ở đầu thu tín hiệu thu được trên đường truyền được tách làm hai đường:

 Một đường được trộn với tín hiệu Sin

 Một đường được trộn với tín hiệu Cosin

Sau khi được trộn hai đường sẽ đồng thời được lấy tích phân để tìm ra được toạ độ thực của điểm tín hiệu trên chòm sao

Hình 2.3 Sơ đồ bộ giải điều chế QAM

Bộ lấy tích phân

Bộ tạo sóng Cosin

Bộ tạo sóng Sin

Bộ lấy tích phân

Bộ quyết định

Như vậy tín hiệu ở diểm B có dạng:

VB(t) = Xi cos2(wt) + Yi sin(wt)cos(wt) (2.3)

Và tín hiệu ở diểm C có dạng:

VC(t) = Xi sin(wt)cos(wt) + Yi sin2(wt) (2.4) Sau các bộ tích phân ta thu được:

)sin(

)(cos

2

) cos(

) sin(

) ( cos wt dt Y wt wt dt

có thể chọn  =1 cho đơn giản

Tuy nhiên đây là trường hợp lí tưởng, trên thực tế luôn tồn tại can nhiễu từ môi trường ngoài, khi đó toạ độ của điểm thu thực tế sẽ bị lệch đi và máy thu sẽ phải ra quyết định chọn một điểm có toạ độ gần điểm thu thực tế nhất

2.2.1.3 Một số đặc điểm của phương pháp điều chế QAM

a) Ưu điểm: Nhờ sự kết hợp giữa pha và biên độ, QAM có thể mang nhiều bít trong

một trạng thái tín hiệu Điều đó cho phép tăng tốc độ truy cập cho đường dây thuê bao mà băng thông đường truyền không đổi

b) Nhược điểm:Tuy nhiên, số trạng thái của QAM càng lớn tỉ số tín hiệu trên tạp âm

càng phải lớn để đảm bảo cùng một tỷ lệ BER cho phép SNR cần thiết cho các hệ thống để đảm bảo BER< 10 -7

được thống kê theo bảng sau:

Bảng 2 1 SNR cần thiết cho các điều chế QAM

Sự tương quan giữa SNR với tỉ số lỗi bit BER phụ thuộc vào số trạng mà sơ đồ dùng để mã hoá được mô tả trên hình 2.4

Như vậy để đảm bảo BER cho phép, nếu tổ hợp bít càng lớn thì yêu cầu công suất phát càng cao và đó chính là hạn chế chính để đẩy cao tốc độ bít trên kênh truyền

2.2.2 Điều chế pha và biên độ không có sóng mang CAP

Phương pháp điều chế CAP về thực chất là giống với điều chế QAM nhưng ở phương pháp này sóng mang không được sử dụng để tiết kiệm công suất phát nên

thường được gọi là phương pháp điều chế triệt sóng mang

Việc triệt sóng mang yêu cầu thêm các mạch điện trong các thiết bị đầu cuối thu phát QAM vì vậy CAP còn được gọi là QAM cải tiến Sơ đồ khối của bộ điều chế CAP được thể hiện trên hình 2.5

Bộ điều chế có 2 nhánh, một nhánh đồng pha và một nhánh lệch pha 90 độ được đưa qua 2 bộ lọc hilbert Hai hàm đáp ứng của hai bộ lọc là trực giao với nhau Thông thường bất kì bộ lọc hilbert nào cũng có thể sử dụng cho điều chế CAP, tuy nhiên ngày nay điều chế CAP chỉ sử dụng các bộ lọc theo phương pháp số

Việc giải điều chế được thực hiện theo sơ đồ như trong hình 2.6

Hình 2.6 Bộ giải điều chế CAP

Tín hiệu đi đến bộ giải điều chế CAP đầu tiên đi vào bộ chuyển đổi A/D rồi đi vào các bộ lọc thích ứng, các thiết bị quyết định và sau đó được đưa đến bộ giải mã

h^(t) h(t)

Xung ứng với giá trị Yi

Hình 2.5 Sơ đồ khối bộ điều chế CAP

Giải mã

Bộ lọc thích ứng 1

Kênh truyền A/D

Bộ lọc thích ứng 2

Bộ xử lý

tương ứng với mã hoá đã được sử dụng ở bộ phát Thiết bị quyết định và các bộ lọc thích ứng tạo thành bộ cân bằng thích ứng để bù lại suy hao và méo do đường truyền gây ra

2.2.3 Điều chế mã đa tần rời rạc DMT (Discrete Multitone)

Điều chế đa tần là nền tảng của ADSL_DMT, loại điều chế này còn có thể gọi là ghép kênh phân tần trực giao (OFDM) DMT được xây dựng trên một vài ý tưởng của QAM Hãy hình dung rằng có nhiều hơn 1 bộ mã hoá chòm sao Mỗi bộ như vậy nhận một tập bit đã được mã hoá sử dụng 1 bộ mã hoá chòm sao như đã miêu tả

ở trong phần điều chế QAM Các giá trị ra của bộ mã hoá chòm sao này lại được gán vào các biên độ của sóng sin và cos Tuy nhiên, sự khác biệt ở đây là các tần số được sử dụng cho mỗi bộ mã hóa Tất cả các sóng sin, cos sau đó được cộng lại với nhau và được gửi trên kênh truyền Dạng sóng này là 1 ký hiệu DMT đơn giản Sự thực hiện này được mô tả như hình vẽ 2.7

Giả sử rằng có thể phân tách các sóng sin và cos tại các tần số khác nhau tại bộ thu Mỗi cặp này được giải mã bình thường như đã làm ở QAM Chú ý rằng ý tưởng sử dụng các tần số khác nhau để truyền thông tin không phải duy nhất ở DMT Phát

Hình 2.7 Sơ đồ minh hoạ phương pháp điều chế DMT cho 3 tần số

thanh, truyền hình cũng đã thực hiện các công nghệ nhƣ thế này Điểm khác ở đây

là DMT có 1 máy thu bắt tất cả các kênh cùng một lúc, trong khi đó các bộ thu phát

thanh, truyền hình chỉ bắt đƣợc 1 kênh DMT sử dụng 256 kênh tần số, mỗi kênh có

độ rộng là 4,3125kHz ứng với tốc độ xấp xỉ 4ksps (kilo symbol per second) Mỗi

kênh sẽ đƣợc mã theo một sơ đồ QAM nhất định Truyền dẫn DMT có thể coi là

một số các hệ thống QAM hoạt động độc lập trên các sóng mang khác nhau Dòng

số liệu đƣợc chia làm thành nhiều chu kỳ mẫu, mỗi chu kỳ gồm một số bit đƣợc

phân bố trên các kênh con DMT (DMT bin) Để đảm bảo nhiễu không tồn tại giữa

các kênh con thì các hàm sin và cos từ các kênh con phải trực giao với các sóng ở

các kênh con khác Để thực hiện điều này thì các tần số sóng mang đƣợc sử dụng

trong mỗi bin phải là bội số của một tần số cơ bản và chu kỳ của tần số cơ bản đó là

 Nhƣ vậy sóng sin, cos từ bất kỳ một bin nào cũng phải trực giao với sóng sin,

cos từ các bin khác Về mặt toán học sự trực giao này đƣợc biểu diễn nhƣ sau:

τ

o nwt mwt dt 



τ

o nwt mwt dt 

τ

sin( ) sin( ) 0

o nwt mwt dt 

Các thủ tục điều chế và giải điều chế như trong hình 2.7 là một phương pháp để tạo

và tách 1 ký hiệu DMT Tuy nhiên việc thực hiện như vậy không phải là phương

pháp được lựa chọn trong thực tế Trong thực tế thì người ta dùng sơ đồ thực hiện

sử dụng thuật toán DFT Để hiểu rõ vấn đề này ta xem xét cách đặt vấn đề như sau

Tín hiệu tại mỗi kênh DMT có dạng:

)(

t nw sin(

Y ) t nw cos(

X ) t

(

Với n là số thứ tự của kênh con, w f là tần số góc cơ bản

S(t) được lấy mẫu ở tốc độ 2.N.ff thì các giá trị khác không của tín hiệu có biểu thức

f f n

k

Nf

k nw Y

Nf

k nw X

s

2

sin2

cos

N

nk Y

Với N tượng trưng cho bin lớn nhất truyền tín hiệu, như vậy tần số lấy mẫu thoã

mãn điệu kiện Nyquist Biến đổi Fourier rời rạc cho si với 2N điểm ta có kết quả

f f

n f

f n

Nf

k nw Y

Nf

k nw X

S

2

1

2 2

2

sin 2

cos

N ( Xn - j Yn ) m = n

(III) = N ( Xn + j Yn ) m = 2N -n

0 với các giá trị khác của m

Từ kết quả này ta có thể tạo tín hiệu DMT bằng phương pháp sử dụng thuật toán

biến đổi Fourier rời rạc Cụ thể ở đây là điều chế sử dụng IFFT và giải điều chế sử

dụng FFT Sơ đồ thực hiện phương pháp này như trong hình vẽ 2.8

Quá trình biến đổi tín hiệu theo sơ đồ trên xuất phát từ phương trình (III),(II),(I)

Trước hết các bit vào được được gán tới các bin để mỗi bin có tín hiệu điều chế

QAM thành 1 số phức Sn= N(Xn - jYn) Tiếp đó gán thêm liên hợp phức

S2N-n= N(Xn+ j Yn) Với N bin thì sẽ có 2N giá trị đầu ra của bộ gán liên hợp phức

2N giá trị này sẽ được đưa vào bộ biến đổi IFFT 2N giá trị ra của bộ này là:

) = sk1 + sk2 + + skN

Với các giá trị k chạy từ 1 đến 2N, ski là mẫu thứ k trong 2N mẫu của bin thứ i, giá trị sk là 1 mẫu trong 2N mẫu của mỗi ký hiệu DMT, 2N giá trị này lại được biến đổi D/A đển truyền dẫn trên kênh truyền Quá trình giải điều chế diễn ra ngược lại với quá trình điều chế, cách thực hiện tương tự Phương pháp biến đổi Fourier nhanh giảm khối lượng tính toán trong DFT M điểm từ M2

phép nhân phức thành Mlog2(M) phép nhân phức

Hình 2.8 Sơ đồ khối điều chế DMT dùng DFT

DMT cho phép một hệ thống truyền thông sử dụng kênh một cách mềm dẻo và tối

ưu hoá, bằng cách lựa chọn tốc độ truyền dựa trên S/N(signal/noise: tỉ số tín trên tạp) Nếu ở bin nào có S/N thấp thì số lượng bit đưa vào truyền là nhỏ, khi tại tần số nào của kênh có S/N cao thì sẽ sử dụng để truyền nhiều bit hơn Điều này làm tăng

số lượng các điểm trong chòm sao của các bin tốt

Khi DMT được sử dụng làm phương pháp mã hoá cho ADSL thì có ưu điểm sau:

Biến đổi IFFT 2N điểm

Biến đổi song song sang nối tiếp

Biến đổi FFT 2N điểm

Nối tiếp sang song song

Các đầu

ra 2N giá trị thực

Các đầu vào 2N giá trị thực

o Phát triển từ công nghệ modem V34: modem V34 sử dụng một số kỹ thuật tiên tiến để đạt được tốc độ dữ liệu tối đa trên đường dây điện thoại Modem ADSL dựa trên DMT là đại diện cho sự tiến hoá kỹ thuật của modem V34 Modem DMT sử dụng QAM, triệt tiếng vọng, mã lưới đa kích cỡ, và sắp xếp hình sao

o Sự thực thi: truyền được tốc độ bit tối đa trong các khoảng băng tần nhỏ bởi

vì các kênh con độc lập có 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 Thông thương, các tần số thấp có thể mang nhiều bit bởi vì chúng bị suy hao nhỏ hơn tại tần số cao

o Thích ứng tốc độ: DMT linh hoạt hơn trong việc điều chỉnh tốc độ truyền, nó

có 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 có thể tự động điều chỉnh tốc độ bit dữ liệu

Nhược điểm của DMT là do có nhiều sóng mang nên thiết bị phức tạp và đắt

2.3 Sửa lỗi trước

Kỹ thuật sửa lỗi trước là kỹ thuật dùng các phương pháp mã hoá số liệu ở bộ phát

và sửa lỗi ở bộ thu

Khối sửa lỗi trước thêm độ dư thừa vào dữ liệu được truyền Thông thường độ dư thừa này là một phần nhỏ của tải tin được truyền Giá trị thêm vào này có tác dụng

để sửa lỗi khi giải mã Mức độ sửa lỗi thường được đặc trưng bởi thuật ngữ độ lợi

mã hoá Với DSL độ lợi mã hoá là 3dB tại tỉ lệ lỗi bit (BER: bit erro ratio) là 10-7

Có hai kiểu sữa lỗi trước phổ biến trong các hệ thống DSL đó là: Mã khối vòng với

mã Reed- Solomon và kiểu thứ hai là mã xoắn

2.3.1 Mã hoá Reed- Solomon (RS)

Mã hoá Reed- Solomon lần đầu tiên được đưa ra vào những năm 1960 Loại mã hóa này là một tập con của mã vòng Mã hoá Reed- Solomon cũng là 1 trường hợp đặc

biệt của mã BCH không nhị phân là tên những người đã nghiên cứu ra là Bose, Chaudhuri và Hocquenghem

Mã hóa Reed- Solomon sử dụng trong các hệ thống DSL dùng trường số học galois

Cụ thể chúng thực hiện ở GF(256), nghĩa là mỗi ký hiệu có thể là một trong 256 giá trị (0 tới 255) Vì vậy mỗi ký hiệu gồm 1byte- 8 bit Các luật số học trong GF(256) định nghĩa các phép tính cộng, trừ, nhân, chia cho hai ký hiệu Mã hóa RS tạo ra từ

mã gồm một số byte dữ liệu cố định và một số byte kiểm tra cố định Khi hoạt động trong trường galois GF(256), tổng số byte trong từ mã phải bé hơn 255 Việc sử dụng các mã khác có thể thay đổi số byte dữ liệu cũng như số byte kiểm tra trong một từ mã Một sự thực hiện DSL điển hình sử dụng 1 từ mã kích cỡ 240 byte, 224

là byte dữ liệu và 16 byte là các byte kiểm tra Hình 2.9 minh hoạ từ mã RS với đặc tính của nó

Mã hóa RS cho phép sửa lỗi ở phía thu Chú ý rằng, ở bộ thu khối giải mã RS trong

ví dụ trên sẽ thu 240 byte từ bộ giải điều chế và đầu ra là 244 byte (chỉ các byte dữ liệu) Nhìn chung số ký hiệu mà bộ giải mã RS có thể sửa là một nữa số byte kiểm tra được sử dụng Với ví dụ là 16 byte kiểm tra, 8 byte lỗi sẽ được sửa chữa thậm chí các byte này xảy ra trong cùng một hàng (lỗi cụm) Việc sửa lỗi bằng mã RS cho hiệu quả cao với chỉ ít byte mào đầu (trong ví dụ này là 6,6%)

2.3.2 Mã hoá xoắn

Mã hoá xoắn khác với mã khối là trong cách làm không có từ mã gồm các phần dữ liệu và phần dư riêng nhau Thay vào đó, việc thêm phần dư được phân bố xuyên suốt dữ liệu đã được mã hoá Mã hoá xoắn đôi khi còn gọi là mã lưới Thông thường việc mã hoá xoắn thì đơn giản, nhưng việc giải mã thì phức tạp

Các byte dữ liệu 224byte

Các byte kiểm tra 16byte

Hình 2.9 Ví dụ về từ mã RS trong trường GF(256)

Bộ mã hoá đƣợc tạo bởi các thanh ghi dịch, số liệu đầu vào bộ mã hoá đƣợc ghi

dịch vào các thanh ghi và đầu ra của bộ mã hoá chính là sự kết hợp của các đầu ra

các thanh ghi dịch Hình 2.10 chỉ ra một bộ mã hoá xoắn đơn giản

Các bit dữ liệu đƣợc dịch vào bộ mã hóa từ bên trái Mỗi bit dữ liệu dịch vào sẽ có

hai bit dữ liệu ở đầu ra, đầu ra đƣợc định nghĩa bởi các đa thức tạo mã Bộ mã hoá

xoắn này gọi là bộ mã tốc độ 1/2 có độ dài bắt buộc là 2, tốc độ ở đây là tỉ lệ các bit

vào với các bit ra và độ dài bắt buộc là số bit bị trễ trong bộ mã hoá Các thông số

này cùng với các đa thức tạo mã quyết định đến độ lợi xử lý của mã

Hình 2.11 chỉ ra một ví dụ đơn giản của việc sử dụng mã hoá trong hình 2.10 để mã

hoá một tập bit Chú ý rằng, các điều kiện ban đầu của bộ mã hoá cho là :

Việc giải mã cho bộ mã hoá xoắn phức tạp hơn việc tạo mã Giải mã được thực hiện trong một lưới sử dụng thuật toán Viterbi Sơ đồ lưới được đưa ra trong hình 2.12 Mỗi node trong lưới biểu diễn một trạng thái Mỗi đường biểu diễn một cặp bit thu được Chú ý rằng mỗi trạng thái có 2 đường đến và có hai đường đi ra từ một trạng thái Khi thu được 2 bit, một sự chuyển tiếp xảy ra giữa trạng thái hiện tại và trạng thái mới Đường kết nối trạng thái hiện tại và trạng thái mới quyết định bộ giải mã

sẽ có đầu ra là 0 hay 1

Bình thường nếu đường truyền không có lỗi, các bit thu được trong một trạng thái ứng với một trong các đường đi ra khỏi trạng thái đó Khi đường truyền có lỗi thì tại mỗi node (ứng với 1 trong 4 trạng thái) sẽ không có một đường ra nào được lựa chọn Thuật toán Viterbi được sử dụng để lựa chọn đường giống nhất khi có lỗi, đồng thời loại bỏ các đường khác bằng cách so sánh khoảng cách mã Hamming, nếu đường nào có khoảng cách Hamming ngắn nhất sẽ được lựa chọn, các đường còn lại sẽ bị bỏ Khoảng cách Hamming được tính bằng số bit khác nhau giữa hai cặp bit phát và thu Với thuật toán giải mã này sẽ sửa được nhiều lỗi

2.4 Kỹ thuật đan xen

Nhiều khối FEC sẽ gặp rắc rối khi phải sửa những lỗi liên tiếp gần nhau Những lỗi này thường xảy ra trên các kênh truyền và có thề xảy ra trên đường dây thuê bao số

DSL Mục đích của đan xen là rải đều một từ mã trên một cụm kênh và như vậy khi gặp những lỗi liên tiếp nhau sẽ được chia đều ra các từ mã Do có FEC nên việc sữa lỗi trong từ mã đó có thể thực hiện được Đan xen thường nằm ở giữa hai khối đó là khối sửa lỗi trước và khối điều chế ở bộ phát Tương ứng như vậy ở bộ thu sẽ có khối giải đan xen Kỹ thuật đan xen có hai loại đó là: đan xen khối và đan xen xoắn Đan xen khối thì đơn giản và dễ hiểu, tuy nhiên đan xen xoắn lại được sử dụng phổ biến hơn trong DSL

2.4.1 Đan xen khối

Hình 2.13 đưa ra một ví dụ về đan xen khối, cụ thể đan xen khối có độ sâu là D=3

và độ dài là N=7

8 9 10 11 12 13 14

15 16 17 18 19 20 21

Hình 2.13 Nguyên lý thực hiện đan xen khối

Các số trong các khối biểu diễn thứ tự mà các bit vào khối đan xen Nhìn chung, các bit được ghi theo dòng và đọc ra theo cột Thông thường một dòng đơn chứa một từ

mã FEC đầy đủ Vì vậy độ dài từ mã cho ví dụ này là 7 Quá trình giải đan xen được chỉ ra trong hình 2.14

Việc giải đan xen được thực hiện ngược lại với quá trình đan xen Các bit tới từ kênh được ghi vào theo cột trong bộ giải đan xen và đọc ra theo hàng

Ta xem xét sự so sánh giữa đan xen và không đan xen đối với nhiễu liên tiếp như trong hình 2.15

Hình 2.15 Ví dụ về ảnh hưởng nhiễu đối với đan xen và không đan xen

Nhờ đan xen mà lỗi được phân đều ra trong khoảng thời gian truyền và điều này giúp cho FEC có nhiều hiệu quả hơn Ví dụ này chỉ được sử dụng trong kênh truyền khi lỗi khối không vượt quá 3 bit Trong thực tế thì D.N lớn hơn nhiều

Đan xen gây ra trễ trong truyền số liệu từ đầu cuối đến đầu cuối, đồng thời nó yêu cầu phải có bộ nhớ là ND bit, với độ trễ khoảng 2ND bit Nó tạo ra nhược điểm với các giao thức lớp cao sử dụng cơ chế báo nhận (như TCP) làm cho giao thức đó ngưng hoạt động hoặc giảm thông lượng nếu độ trễ quá lớn

2.4.2 Đan xen xoắn

Đan xen xoắn có nhiều ưu điểm hơn so với đan xen khối về khía cạnh yêu cầu bộ nhớ và trễ từ đầu cuối đến đầu cuối Chú ý rằng đan xen xoắn không ngụ ý cho bất

kỳ một loại FEC nào, và nó có thể hoạt động với cả FEC khối cũng như xoắn Một

bộ đan xen xoắn có kích thước từ mã N=7 và độ sâu D=3 được đưa ra như trong hình vẽ 2.16

Trong ví dụ này, chỉ số trên của B chỉ ra từ mã mà bit B thuộc về từ mã đó Chỉ số dưới chỉ ra số thứ tự của bit trong từ mã đó Các từ được viết vào trong bộ đan xen

theo hàng và được đọc ra theo cột Sự khác nhau giữa đan xen xoắn và đan xen khối

là ở chổ, ở đan xen xoắn các từ mã không được bắt đầu trong cùng một cột như chúng làm trong bộ đan xen khối, thêm vào đó các hàng không có điểm cuối Chiều dài và chiều sâu của bộ đan xen (chính là kích thước của bộ nhớ) quyết định từ mã tiếp theo nên được viết vào trong hàng tiếp theo hay trong hàng đầu tiên ngay sau từ

Hình 2.16 Nguyên lý đan xen xoắn

Hình 2.17 chỉ ra một bộ giải đan xen xoắn được sử dụng trong bộ thu khi bộ phát sử dụng một bộ đan xen xoắn

B11 B12 B13 B14 B15 B16 B17 B41 B42 B43

* B21 B22 B23 B24 B25 B26 B27 B51 B52

* * B31 B32 B33 B34 B35 B36 B37 B61

* từ các từ mã trước

Hình 2.17 Nguyên lý giải đan xen

Các bit ở đây được ghi vào theo cột và đọc ra theo hàng cho khối FEC xử lý tiếp theo Bộ giải đan xen phải đọc chỉ một từ mã đơn từ mỗi hàng và sau đó chuyển tới hàng tiếp cho đến khi hàng cuối được đọc ra Sau khi đọc hàng cuối cùng xong, bộ giải đan xen quay trở lại hàng đầu tiên và đọc từ vị trí chưa đọc tiếp theo Đan xen xoắn có thể phân phát 1 từ mã có độ dài N trên khoảng thời gian là ND, tạo ra trễ truyền là ND bit

Ghi vào

Trên thực tế, người ta đan xen ở cấp độ byte hay symbol, như mã hoá Reed- Solomon thực hiện trong GF(256) là ở mức byte Nếu FEC thực hiện ở mức byte hay symbol thì đan xen cũng thực hiện ở mức byte hay symbol Lúc đó độ trễ cũng được tính theo đơn vị tương ứng Ví dụ, giả sử như là một từ mã kích cỡ 7 byte, luồng tải tin được đan xen ở mức byte, và trễ từ đầu cuối đến đầu cuối của bộ mã hoá và giải mã xoắn là ND byte

Chú ý rằng, ngoài hai loại đan xen như đã nêu, các hệ thống có thể sử dụng các loại đan xen khác Chẳng hạn như là đan xen xoắn ốc là một loại đan xen khác với hai loại đã nêu

2.5 Ngẫu nhiên hoá

Hầu hết các hệ thống DSL đều có bộ ngẫu nhiên hoá ở phía phát và giải ngẫu nhiên

ở phía thu Ngẫu nhiên hoá làm giảm xác suất các chuỗi bit 0 hay chuổi bit 1 dài liên tiếp đi qua bộ điều chế Các chuỗi này thường xảy ra trong các hệ thống gói cũng như hệ thống ATM khi không có gói hay tế bào nào được truyền đi và như vậy đầu vào của bộ phát được giữ ở mức thấp hoặc mức cao

Việc ngẫu nhiên hoá mang lại hai lợi ích tích cực cho hệ thống truyền thông Thứ nhất, nó đảm bảo rằng mật độ phổ công suất phát ở đầu ra của bộ phát là có thể biết trước được

Thứ hai, nhiều loại mạch hay thuật toán phụ thuộc vào việc xáo trộn giữa các bit 0

và 1 để hoạt động đúng Việc khôi phục định thời bằng vòng khoá pha và một vài thuật toán cân bằng tương thích là các ví dụ cho ngẫu nhiên hoá

Ngẫu nhiên hoá đảm bảo cho việc hoạt động đúng Chú ý rằng ngẫu nhiên hoá không dùng cho bảo an và mật mã hoá số liệu Việc giải ngẫu nhiên hoá dữ liệu thu được bộ thu rất đơn giản cho các ứng dụng đảm bảo an toàn hiệu quả

Chú ý rằng, bộ ngẫu nhiên là một thiết bị hồi tiếp trong khi đó bộ giải thì không có chức năng hồi tiếp Cả hai bộ này được đặc trưng bởi đa thức tạo mã g(x):

g(x)= 1 + x-5 + x-23

Bộ ngẫu nhiên ngày được sử dụng phổ biến trong một vài chuẩn của truyền thông Các hệ số trong phương trình trên chỉ ra vị trí rẽ nhánh mà tại đó bộ ngẫu nhiên hoá

2.6 Cân bằng

Hầu hết trong các hệ thống truyền thông hiện đại hoạt động gần với giới hạn lý thuyết về tốc độ truyền dẫn thực hiện việc cân bằng hoá ở bộ thu hoặc phát, hoặc cả hai để tối ưu hoá hoặc gần tối ưu hoá truyền dẫn Thông thường cân bằng được thực

hiện số hoá bằng các bộ lọc số tương thích Việc cân bằng sẽ cung cấp một phương tiện rất linh hoạt để thích hợp các loại kênh truyền khác nhau và các loại môi trường nhiễu khác nhau

Khi truyền dẫn ở tốc độ tới hạn, hiện tượng xuyên nhiễu giữa các ký hiệu (ISI: InterSymbol Interference) có thể xảy ra Hiện tượng này là do đáp ứng xung của các kênh truyền là không phẳng, dẫn đến khi xung tín hiệu truyền qua sẽ bị kéo giản và méo, phổ bị kéo rộng ra ảnh hưởng tới các xung lân cận gây ra sai lỗi Kênh có đáp ứng tần số không phẳng gọi là kênh không phẳng hoặc là kênh không nhớ Cân bằng nhằm loại bỏ đi ISI Các bộ cân bằng có thể chia làm hai loại chính: bộ cân bằng trực tiếp, được thực hiện dựa trực tiếp vào tín hiệu đến Loại thứ hai là bộ cân bằng được thực hiện dựa vào sự hồi tiếp của tín hiệu (quyết định cân bằng được đưa

ra dựa vào ký hiệu đã đến trước đó) Thiết kế bộ cân bằng phụ thuộc rất nhiều vào đáp ứng xung của kênh do đó sự dự đoán kênh đóng một vai trò quan trọng trong việc tối ưu hoá kênh truyền Một kênh có thể được dự đoán ở cả miền tần số và miền thời gian Nó có thể thực hiện trực tiếp trên tín hiệu thu được (gọi là sự dự đoán mù) hoặc dựa vào chuỗi huấn luyện Chuỗi huấn luyện còn được dùng để huấn luyện bộ cân bằng nhằm điều chỉnh các tham số của bộ lọc cân bằng Do chuỗi huấn luyện được biết trước, nên quá trình huấn luyện nhanh chóng đạt được kết quả Chuỗi này được truyền đi để dự đoán đáp ứng xung của kênh trước khi truyền số liệu thực Thông thường chuỗi huấn luyện là chuỗi nhị phân giả ngẫn nhiên với N mẫu được lặp lại một cách tuần hoàn

Việc cân bằng có thể thực hiện bằng nhiều phương pháp khác nhau Sau đây là phương pháp cân bằng trong miền tần số Sự chuyển đổi giữa hai miền thời gian và tần số được thực hiện nhờ phép biến đổi Fourier Khi tín hiệu s(t) đi qua bộ lọc tuyến tính bất biến có đáp ứng xung là h(t) Mối quan hệ cơ bản của việc lọc trong miền thời gian và miền tần số được đưa ra trong phương trình sau:

s(t)  h(t)  S(f) H(f) (1)

Nghĩa là tích chập trong miền thời gian tương đương với tích nhân trong miền tần

số Hình 2.19 minh hoạ điều này

Có thể nhận thấy rằng, điều chế DMT sử dụng chuyển đổi Fourier ngược rời rạc để chuyển đổi tín hiệu miền tần số sang miền thời gian ở phía phát Như vậy có thể mượn ngay bản thân của tín hiệu rời rạc này để thực hiện cân bằng trong miền tần

số Giả sử 2 tín hiệu s(t) và h(t) được lấy mẫu và thực hiện một phép DFT N điểm Phép nhân trong miền tần số có quan hệ với các giá trị ở miền thời gian là:

SN(kf0) HN(kf0) = sN hN (2)

Sự khác nhau cơ bản của (1) và (2) là ở phương trình (2) là tích chập vòng còn ở phương trình (1) là tích chập tuyến tính Một khó khăn gặp phải là việc thực hiện trực tiếp cân bằng trong miền tần số thì đầu ra của một kênh cáp xoắn là tích chập tuyến tính của đầu vào với đáp ứng xung, chứ không phải là tích chập vòng.Để tạo cho đầu ra là tích chập vòng, một tiền tố vòng được thêm vào mỗi ký hiệu đã được truyền trên kênh Gán L mẫu cuối trong ký hiệu vào đầu ký hiệu đó trước khi được gửi đi Như vậy nếu ký hiệu ban đầu là N mẫu thì ký hiệu sau khi thêm là N+L mẫu như minh hoạ ở hình 2.20

Phía thu chỉ N mẫu được xử lý, L mẫu thêm vào bị tách ra Việc thêm tiền tố vòng làm tăng mào đầu, giảm hiệu suất Tuy nhiên với N lớn thì mào đầu thường rất nhỏ

và có thể bỏ qua sự so sánh này Nếu kênh có đáp ứng xung lớn hơn độ dài tiền tố vòng thì năng lượng của ký hiệu trước xen vào ký hiệu sau (tức là ISI) Để giải quyết vấn đề này, người ta kết hợp bộ cân bằng trong miền thời gian ở đầu vào của

bộ thu (để làm hẹp đáp ứng xung của kênh) với bộ cân bằng trong miền tần số ở sau

2.7 Các phương pháp truyền dẫn song công

Hầu hết các dịch vụ DSL đòi hỏi hai chiều (song công) trong việc truyền dữ liệu, thậm chí tốc độ bit theo các hướng ngược nhau là không đối xứng Các modem DSL sử dụng các phương thức song công khác nhau: song công 4 dây, triệt tiếng vọng, song công phân chia theo thời gian, và song công phân chia theo tần số Phương thức song công triệt tiếng vọng và song công phân chia theo tần số được sử dụng trong modem ADSL

2.7.1 Truyền dẫn song công sử dụng FDM

Trong phương pháp này dải tần được chia thành hai phần đường lên và đường xuống khác nhau, hình vẽ 2.21 thể hiện sự phân chia này, với fb1 và fb2 là độ rộng dải tần ở hai băng

Ghép kênh phân chia theo tần số (FDM: frequency division multiplex) lần lượt truyền theo các hướng khác nhau trong các giải tần không trùng nhau, như được chỉ

ra trong hình vẽ Trên thực tế FDM không được sử dụng nhiều, cốt yếu là vì sự thay đổi suy yếu đường truyền dẫn đã không đảm bảo về băng thông cần thiết dành cho hai hướng FDM loại bỏ xuyên âm đầu xa (NEXT: near end crosstalk) nếu tất cả các đường sử dụng cùng khoảng băng thông Một phương thức lựa chọn FDM đối với ADSL (phù hợp với triệt tiếng vọng) cho phép dành riêng băng thông tới 138 kHz

Thêm tiền tố vòng