Общее описание технологии ADSL. Вступление Всем хорошо известны возможности медной витой пары по передаче высокочастотного аналогового сигнала.
Аналоговые модемы позволяют достигать скоростей до 28 Кбит с по стандартному телефонному каналу. Используя схожие методы модуляции технология ADSL позволяет достичь скорости нисходящего потока от станции к пользователю до нескольких Мбит с. На низкоскоростном канале от пользователя к станции эта технология позволяет пользователю управлять нисходящим потоком см. рис.1 . Необходимо отметить, что современные алгоритмы модуляции и кодирования обеспечивают скорость ADSL, которая приближается к теоретическому пределу. Рисунок 1. Абонентская линия ADSL. Высокая скорость нисходящего потока выбрана потому, что большинство домашних пользовательских приложений являются асимметричными.
Бизнес пользователи, которым необходимы симметричные высокоскоростные приложения, используют оптический или коаксиальный кабель для обеспечения высокоскоростного двустороннего обмена данными.
Поэтому технология ADSL была разработана в первую очередь для рынка домашних пользователей. В связи с этим, пользователь может продолжать пользоваться уже имеющейся телефонной связью. На практике это означает, что пользователь может осуществлять телефонные вызовы во время передачи данных с использованием ADSL оборудования. Краткая история эволюции модемов использующих неэкранированную витую пару UTP В 1881 Грэхем Белл изобрел аналоговый модем, т.е. телефон.
После этого потребовалось 80 лет, чтобы изобрести цифровые модемы. В таблице 1.1 приведена краткая история модемов. Модемы, использующие стандартный телефонный каналТаблица 1.1 Модемы использующие канал ТЧ Год Скорость Модуляция 1960 300-1.2 Кбит с V.21,V23 ЧМ 1968 2.4 V.26 ДОФМ QPSK 1972 4.8 Кбит с V.27 ТОФМ 8-PSK 1976 9.6 Кбит с V.29 КАМ-16 16-QAM 1986 14.4 Кбит с V.33 КАМ-64 со сверточным кодированием 64-QAM TCM 1989 19.2 Кбит с V.33bis КАМ-64 со сверточным кодированием 64-QAM TCM 1993 28.8 Кбит с V.34 Цифровая многоканальная DMT Модемы, использующие выделенную пару симметричного кабеляТаблица 1.2 Модемы, использующие выделенные пары симметричного кабеля Год Технология Описание Расстояние Диаметр жилы 1985 U-IC Дуплексная передача на скорости 160 Кбит с по одной неэкранированной паре 8-10 км максимально. 4 км 0.4 мм 1990 HDSL Дуплексная передача на скорости 2 Мбит с по 2 или 3 неэкранированным парам 2 UTP 2.4 км 0,4 мм 2 UTP 2.6 км 0,6 мм 3 UTP 3.9 км 0,4 мм 3 UTP 4.9 км 0,6 мм 1995 ADSL 1.5-8 Мбит с и более нисходящий поток 640 - 1000 Кбит с восходящий поток 1-5.4 км максимально 1997 VHDSL 20-50 Мбит с 200-500 м Концепция ADSL Концепция ADSL была предложена в начале этого десятилетия компанией AT T Bell Laboratories и Стэндфордским университетом.
С тех пор был пройден путь от компьютерных эмуляций и лабораторных прототипов до выпуска стандартных систем, которые вскоре перерастут в интегрированные системы. Принцип заключается в одновременной передаче по медной паре высокоскоростного нисходящего потока к пользователю и низкоскоростного восходящего потока от пользователя в сеть без влияния на телефонию 1 . Рисунок 2. Спектр используемых частот.
В высокоскоростном нисходящем потоке и низкоскоростном восходящем потоке передается цифровая информация.
В добавлении к этому, технология ADSL имеет важную возможность мультиплексирования цифровой информации на более высоких частотах, по сравнению с традиционным каналом ТЧ. Другими словами, пользователи, использующие аналоговую телефонию могут продолжать ей пользоваться одновременно с ADSL. Данная функция осуществляется с помощью специального устройства - сплиттера ФНЧ . Рисунок 3. Внешние характеристики ADSL. На рисунке 3 изображены внешние характеристики ADSL. Пропускная способность восходящего и нисходящего потоков составляет несколько Кбит с и несколько Мбит с соответственно.
Естественно, по мере увеличения расстояния, максимально достижимая пропускная способность падает.
Например, ADSL устройство, работающее на скорости 2 Мбит с позволяет подключить множество пользователей на достаточно большом расстоянии. Тогда как ADSL устройства, работающие на скоростях 6 Мбит с и более, позволят подключить пользователей на значительно меньшем расстоянии. Поскольку восходящий поток передается на более низкой частоте, по сравнению с нисходящим, переходные помехи будут значительно ниже, чем при использовании симметричных систем.
Отсутствие таких помех позволяет использовать ADSL устройства на больших расстояниях. Приемопередатчик ADSL функционирует на более высоких частотах, чем стандартные телефонные устройства, поэтому при наличии фильтрации, обеспечивающей защиту от нежелательного шума возникающего при передаче номера декадным током и при посылке вызывного тока , ADSL устройства могут использовать одну телефонную пару вместе с телефонными устройствами. Таким образом, технология ADSL предполагает наличие пары высокоскоростных модемов для обеспечения доступа к широкополосным службам.
Один модем устанавливается в ADSL - мультиплексоре и соединяется через высокоскоростную сеть с провайдером служб, предоставляющим доступ в Интернет, видео по запросу и т.п. Другой модем устанавливается в помещении пользователя и соединяется с одним или более модулем служб Service Module -SM . SM - это устройство конечного пользователя, например персональный компьютер ПК . Рисунок 4. Принцип организации ADSL 1.2. Области применения ADSL Требования к скорости На рисунке 5 показаны требования к скорости, при использовании различных служб, как для восходящего так и для нисходящего потока.
Очевидно, что большинство абонентских служб являются асимметричными. Другими словами пользователь принимает большой объем информации, при этом скорость передачи информации значительно меньше. Особенно высокой скорости нисходящего потока требуют видео службы. Таким образом, ADSL устройство должно обеспечивать гибкость при выборе скорости, пользователь должен иметь возможность самостоятельно определять количество каналов и их скорость при приеме данных.
В последние годы, существенно возросло использование Интернет, также возрос объем информации, который пользователь принимает из сети. В связи с этим, современные ADSL модемы предоставляют пользователю два интерфейса. Первый интерфейс - Ethernet, с помощью него к модему может быть подсоединен любой персональный компьютер. Другой - АТМ интерфейс, позволяет, с помощью использования специального терминала принимать видео сигнал на телевизор, а также рассчитан на дальнейший рост АТМ технологии.
Рисунок 5. Характеристики некоторых интерактивных служб. Службы и области применения ADSLВ данном параграфе приводится краткий обзор служб и областей применения ADSL. Дистанционный доступРабота на дому - Конечный пользователь имеет возможность осуществлять доступ к рабочей станции, принтерам, факсам или удаленным ЛВС ГВС Нисходящий поток Видео качество CATV 4 Мбит с голос данные Восходящий поток Голос данные 64 Кбит с Видео конференции Конечный пользователь имеет возможность принимать видеоизображение из удаленной видеоконференции, в этом случае видео будет передаваться по нисходящему потоку, а аудио информация в восходящем Нисходящий поток Низкокачественное видео 1.5 Мбит с голос графика Восходящий поток Голос графика дата все - 384 Кбит с Другие области применения Видео по запросу, Интерактивное телевидение Конечный пользователь может получить доступ к видео реального времени, и или заранее сохраненному видео или к графике, а также может осуществить поиск с помощью меню Нисходящий поток Качество VHS 1.5 Мбит с , CATV 4 Мбит с, высокое 6 Мбит с Восходящий поток Удаленное управление с помощью VCR 16 Кбит с Музыка по запросу Конечный пользователь может осуществить доступ к музыке через сеть провайдера служб Нисходящий поток Высококачественное аудио 384 Кбит с Восходящий поток Дистанционное управление стоп, пауза, 100 бит с Игры Интерактивные игры Конечный пользователь имеет возможность участвовать в интерактивной игре через удаленный сервер с другим пользователем.
Нисходящий поток Высококачественное видео 6 Мбит с аудио Восходящий поток Джойстик или мышь 64 Кбит с Заключение Скорость приема и передачи данных, требуемая для реализации любого из рассмотренных приложений обеспечивается технологией ADSL. 1.3. Проблемы, связанные с применением ADSL Параметры телекоммуникационной системыНа рисунке 6 показана различные параметры телекоммуникационной системы.
Нам необходима максимальная скорость и, в то же время, минимальная вероятность возникновения ошибки.
Этого можно достичь путем увеличения мощности передачи и или увеличения полосы пропускания и или усложнения системы.
Конечно требуется минимально возможная мощность, полоса пропускания и сложность системы. Кроме того, телекоммуникационная система имеет ограничения по данным параметрам. Здесь оговариваются ограничения, налагаемые на мощность и ширину полосы пропускания.
С другой стороны, нам требуется обеспечить максимальное использование системы. Максимальное количество пользователей должны иметь возможность надежного доступа к службам с минимальной задержкой и максимальной защитой от интерференции. Вот то, что нужно пользователю. Рисунок 6. Параметры. Существуют определенные теоретические ограничения, влияющие на конечный продукт 9 Теоретическая минимальная полоса пропускания по Найквисту Теорема мощности Шеннона-Хартли и связанный с ней предел Шеннона Ограничения, накладываемые правительством, например на выделяемый частотный диапазон Технологические ограничения, например сложные компоненты Различные явления, которые влияют на производительность передачи по витой паре могут быть разделены на следующие категории Затухание Дисперсия импульса Отражения Несогласованный приемопередатчик Изменения диаметра кабеля Шум и интерференция Белый шум Перекрестные помехи Интерференция на радио частоте Импульсный шум Критерий Найквиста Найквист изучал проблему определения формы принимаемого импульса, которая позволила бы избежать межсимвольной интерференции Inter-Symbol Interference - ISI в детекторе.
Им было показано, что для детектирования без ISI Rs символов в секунду, минимальная необходимая полоса пропускания составляет Ѕ Rs Гц. Данное правило выполняется при условии, что частотная характеристика коэффициента передачи имеет прямоугольную форму.
Wmin 1 2Rs При использовании среды передачи, имеющей форму частотной характеристики, отличную от прямоугольной равенство примет следующий вид Wmin Ѕ 1 r Rs где r - число от 0 прямоугольная форма до 1. Вывод Критерий Найквиста вводит ограничения на скорость передачи в символах в секунду для данной полосы пропускания.
Например в телефонии используется полоса пропускания 3 КГц. В этом случае максимально достижимая скорость составит 6000 символов в секунду или Бод. Теорема Шеннона - ХартлиВ данной теореме определено, что достичь максимальной скорости бит сек можно путем увеличения полосы пропускания и мощности сигнала и, в то же время, уменьшения шума. 1 где С - скорость бит с , W - полоса пропускания Гц , SNR дБ - отношение сигнал шум Из формулы 1 видно, что для того, чтобы послать дополнительные биты в канал необходимо удвоить отношение сигнал шум SNR . Этого можно достичь удвоив мощность полезного сигнала, или уменьшив шум. На рисунке 7 представлено применение теоремы Шеннона для витой пары, диаметром 0,4 мм. Три отдельных точки соответствуют скоростям, которые могут быть достигнуты с помощью систем ADSL, использующих технологию DMT. Из данного графика видно, что для больших расстояний системы ADSL приближаются к теоретическому пределу.
Для коротких расстояний запас по пропускной способности по пределу Шеннона возрастает.
Рисунок 7. Теорема Шеннона. Вывод Теорема Шеннона-Хартли ограничивает информационную скорость бит с для заданной полосы пропускания и отношения сигнал шум. Для увеличения скорости необходимо увеличить уровень полезного сигнала, по отношению к уровню шума. Проблемы с модемами Мы имеем канал с известной полосой пропускания и отношением сигнал шум. С одной стороны критерий Найквиста ограничивает максимальное число символов, которые возможно передать без ошибки.
С другой стороны теорема Шеннона - Хартли ограничивает максимальное число бит, которые возможно передать без ошибки. Исходя из данных двух ограничений мы можем вычислить количество бит на символ, которое необходимо обеспечить для достижения максимальной не обязательно оптимальной скорости.
Однако остается неясно, как реализовать необходимое количество бит в символе, т.е. возможны различные технологии модуляции. ЗатуханиеНа рис.8 показано, что импульс, передаваемый по витой паре принимается на другой стороне с меньшей амплитудой. Рисунок 8. Затухание Затухание в кабеле ограничивает расстояние, на котором можно использовать витую пару без регенераторов. На частотные характеристики витой пары существенное влияние оказывает поверхностный эффект, в результате которого токи высокой частоты текут в поверхностном слое проводника. В результате получается более сильное затухание на высоких частотах.
Рисунок 9. Зависимость затухания от частоты для симметричного кабеля. Проблема может быть решена путем увеличения мощности передаваемого сигнала Максимальная мощность сигнала ограничена в следствии возникновения эффекта переходных помех, таким образом принимаемый сигнал всегда имеет маленькую амплитуду. Необходимо отметить, что для обеспечения электромагнитной совместимости, необходимо, чтобы системы ADSL не мешали функционированию радио передающих систем.
Данное условие также накладывает ограничения на мощность передаваемого сигнала. ADSL устройство должно работать как на короткой линии с затуханием 0 дБ, так и на длинной линии с затуханием в 55 дБ, поскольку неизвестно, на какой линии данное устройство будет установлено. Дисперсия импульса Данная проблема заключается в следующем форма импульса, приходящего, на удаленный конец отличается от исходной формы.
На графике на рисунке 10 показаны изменения формы импульса, длительностью 2 сек, возникающие после его передачи по кабелю различной длины без учета затухания. Как видно из рисунка, с ростом длины кабеля импульс все более и более расширяется, данный эффект получил название дисперсии. Рисунок 10. Отклик на импульс, посылаемый по каналу. Данный эффект в следствии частотной зависимости функции передачи по каналу приводит к тому, что называется межсимвольной интерференцией ISI . В линейных каналах, имеющих частотные ограничения и зависимые от частоты затухание и задержку, возникает дисперсия импульсов, которая приводит к ошибкам в процессе детектирования.
Этот эффект сильнее всего сказывается на коротких импульсах, что приводит к ограничениям для высокоскоростных систем. ISI может быть частично компенсирована с помощью адаптивных канальных компенсаторов. Необходимо впрочем отметить, что компенсация представляет из себя усиление и, таким образом имеет пределы, связанные с качеством принимаемого сигнала шум ОтраженияОтражения в кабеле могут возникнуть в следствии рассогласования приемопередатчика и изменения диаметра кабеля.
Шум и интерференцияЗдесь оговариваются наиболее важные источники шума и интерференции, которые оказывают влияние на медную витую пару. Белый шумБелый шум имеет много причин появления и полностью подавить его практически невозможно.
Это означает, что даже если изолировать все источники шума и интерференции все равно белый шум будет ограничивать производительность системы. Переходные помехиПереходные помехи вносят наиболее серьезные ограничения в абонентский участок сети. Суть данного явления заключается в емкостной связи между парами кабеля. Переходные помехи могут быть на ближнем конце Near End CROSSTalk - NEXT и на дальнем конце Far End CROSSTalk - FEXT . Они приведены на рисунке 11. NEXT определяются, как переходные помехи между принимающей и передающей парой на одном конце кабеля.
FEXT определяются как переходные помехи в приемнике в следствии влияния передатчика, работающего по другой паре кабеля на удаленном от приемника конце. Необходимо отметить, что влияющая помеха при FEXT, в отличии от NEXT, проходя по линии связи, затухает также, как и передаваемый сигнал. Таким образом, в случае, если сигналы передаются в обоих направлениях, по одному кабелю NEXT будет значительно больше FEXT. Если сигналы используют общую полосу частот, например, в случае использования эхо компенсации, NEXT будет вносить наибольший вклад в переходные помехи.
Также NEXT будет выше при использовании близко расположенных модемов. Это означает, что NEXT более важен в месте расположения ADSL -мультиплексора. Рисунок 11. Переходные помехи на дальнем конце FEXT и ближнем конце NEXT . Собственные переходные помехиПомимо переходных помех, описанных ранее, существуют и так называемые собственные переходные помехи.
В действительности данный тип помехи не является переходным, поскольку не является помехой между приемником и передатчиком. Данный тип помехи вызван не полным разделением направлений приема и передачи в дифсистеме, а также является следствием не идеального согласования приемника и передатчика. Затухание на линии может достигать 55 дБ, поэтому для того, чтобы принять сигнал с уровнем, более высоким, чем у собственной переходной помехи, дифсистема должна обеспечивать затухание не хуже, чем 55 дБ. Рисунок 12. Собственная переходная помеха.
Как и в случае NEXT, данная проблема существует, только при передаче и приеме сигналов в одном частотном диапазоне, например при использовании эхо компенсации. Радиочастотная интерференцияСеть доступа подвергается действию широкого спектра радиочастотной интерференции Radio Frequency Interference - RFI , например от длинноволновых или средневолновых широковещательных передатчиков См. рисунок 13 . Несмотря на то, что медная витая пара, как правило, хорошо симметрирована и поэтому мало подвержена данному явлению Обычно RFI более подвержены сельские сети с воздушными кабелями, должны быть предусмотрены средства, защищающие системы передачи от RFI. Необходимо отметить, что исходя из требований по электромагнитной совместимости Electro-Magnetic Compatibility - EMC системы передачи ADSL не должны быть подвержены интерференции с радиопередающим оборудованием. Данный факт также накладывает ограничения на мощность, передаваемого по линии сигнала.
Важное преимущество одного из методов модуляции, используемых в ADSL - DMT заключается в том, что он удовлетворяет как требованиям по устойчивости к радиочастотной интерференции, так и создаваемым магнитным полям.
Рисунок 13. Радиочастотная интерференция. Импульсный шумДанное явление характеризуется редкими шумовыми выбросами большой амплитуды, причиной которых может быть коммутационные станции, импульсный набор, вызывной сигнал, близость железнодорожных станций, заводов и т.п. Характеристики импульсного шума зависят от типа используемой станции, и таким образом специфичны для каждой страны.
Поскольку выбросы имеют острую форму, спектр импульсного шума ровный в диапазоне ADSL сигналов максимальная частота ADSL сигнала составляет 1 МГц . 1.4. Решения ADSL проблем Разделение передаваемых и принимаемых данных При использовании ADSL данные передаются по общей витой паре в дуплексной форме. Для того, чтобы разделить передаваемый и принимаемый поток данных существуют два метода частотное разделение каналов Frequency Division Multiplexing - FDM и эхо компенсация Echo Cancelation - EC смотри рисунок 14 . Рисунок 14. Разделение направлений передачи и приема данных.
Частотное разделение каналовПри использовании данного механизма низкоскоростной канал передаваемых данных располагается сразу после полосы частот, используемой для передачи аналоговой телефонии. Высокоскоростной канал принимаемых данных располагается на более высоких частотах.
Полоса частот зависит от числа бит передаваемых одним сигналом. Эхо компенсацияДанный механизм позволяет низкоскоростному каналу передаваемых данных и высокоскоростному каналу принимаемых данных располагаться в общем частотном диапазоне, что позволяет более эффективно использовать низкие частоты, на которых затухание в кабеле меньше. Сравнение Эхо компенсация позволяет улучшить производительность на 2 дБ, однако является более сложной в реализации Преимущества EC растут при использовании более высокоскоростных технологий, таких как ISDN или видеотелефония на скорости 384 кбит с. В этих случаях FDM требует выделения под высокоскоростной канал принимаемых данных более высоких частот, что приводит к увеличению затухания и сокращению максимального расстояния передачи.
Совмещение двух каналов в одном частотном диапазоне, при использовании ЕС приводит к появлению эффекта собственного NEXT, который отсутствует при использовании FDM. Стандарт ADSL предусматривает взаимодействие между различным оборудованием, использующим как механизм FDM, так и EC, выбор конкретного механизма определяется при установлении соединения.
Заключение При отсутствии интерференции с другими службами, приемопередатчик, использующий ЕС функционирует лучше. На скорости в 1,5 Мбит с, разница в максимальном расстоянии составляет 16 в пользу ЕС, однако на скорости 6 Мбит с разница падает до 9 . При учете собственной переходной помехи т.е. в случае использования данного кабеля другими системами ADSL приемопередатчик, использующий FDM функционирует лучше на скоростях выше 4,5 Мбит с. Это связано с тем, что приемопередатчик с FDM ограничен лишь наличием эффекта FEXT, тогда как приемопередатчик, использующий механизм EC подвержен влиянию как FEXT, так и собственного NEXT. Обычно модемы располагаются близко друг от друга на входе ADSL -мультиплексора, в этом случае наибольшее значение имеет параметр NEXT, именно поэтому предпочтение отдается механизму FDM. Методы передачи Введение Одним из наиболее важных вопросов при стандартизации систем передачи является вопрос выбора типа используемой модуляции.
В процессе стандартизации ADSL, ANSI определил три потенциальных типа модуляции Квадратурная амплитудная модуляция Quadrature Amplitude Modulation - QAM Амплитудно-фазовая модуляция с подавлением несущей Cariereless Amplitude Phase Modulation - CAP Дискретная многотональная модуляция Discrete MultiTone Modulation - DMT Исследования показали, что наиболее производительной является DMT. В марте 1993 года рабочая группа ANSI T1E1.4 определила базовый интерфейс, основанный на методе DMT. Позднее ETSI также согласился стандартизовать DMT для применения в ADSL. Квадратурная амплитудная модуляцияДля передачи в одной полосе частот, обычным методом является амплитудная модуляции Pulse Amplitude Modulation - PAM , которая заключается в изменении амплитуды дискретными шагами.
QAM использует модуляцию двух параметров - амплитуды и фазы. В данном случае для кодирования трех старших бит используется относительная фазовая модуляция, а последний бит кодируется выбором одного из двух значений амплитуды для каждого фазового сигнала.
Теоретически количество бит на символ можно увеличивать, путем повышения разрядности КAM. Однако при увеличении разрядности становится все сложнее и сложнее детектировать фазу и уровень.
В таблице 1.3 представлены требования к SNR отношение сигнал шум для КAM различной разрядности, с коэффициентом ошибок по битам BER 10-7. Таблица 1.3 Требования к SNR Количество бит на символ r Разрядность QAM 2r - QAM Требуемое SNR дБ для BER 10-7 4 16 - QAM 21,8 6 64 - QAM 27,8 8 256 - QAM 33,8 9 512 - QAM 36,8 10 1024 - QAM 39,9 12 4096 - QAM 45,9 14 16384 - QAM 51,9 Амплитудно-фазовая модуляция с подавлением несущейСАР также как и КAM использует модуляцию двух параметров.
Форма спектра у данного метода модуляции также сходна с КAM. Дискретная многотональная модуляция DMT DMT использует модуляцию со многими несущими.
Время разбивается на стандартные периоды символа symbol period, в каждый из которых передается один DMT - символ, переносящий фиксированное количество бит. Биты объединяются в группы и присваиваются сигнальным несущим различной частоты. Следовательно, с частотной точки зрения, DMT разбивает канал на большое число подканалов. Пропускная способность зависит от полосы частот, то есть подканалы с большей пропускной способностью переносят больше бит. Биты для каждого подканала преобразуются в сложное число, от значения которого зависит амплитуда и фаза соответствующего сигнальной несущей частоты. Таким образом, DMT можно представить как набор КAM систем, которые функционируют параллельно, каждая на частоте несущей соответствующей частоте подканала DMT смотри рисунок 15 . Итак, DMT передатчик по существу осуществляет модуляцию путем формирования пакетов сигнальных несущих для соответствующего количества частотных подканалов, объединения их вместе и затем посылки их в линию как символа DMT . Рисунок 15. Распределение частот для передачи сигналов ADSL. Модуляция демодуляция с использованием многих несущих реализуется в полностью цифровой схеме с помощью развития методов быстрого преобразования Фурье БПФ Fast Fourier Transform - FFT смотри рисунок 16 . Ранние реализации DMT функционировали плохо в следствии сложности обеспечения равных промежутков между подканалами.
Современные реализации функционируют успешно благодаря наличию интегральных микросхем, реализующих БПФ- преобразование аппаратно, что позволяет эффективно синтезировать сумму КAM-модулированных несущих.
Для достижения оптимальной эффективности главной задачей является выбор количества подканалов N . Для абонентских телефонных линий оптимальным является значение N 256, которое позволяет не только достигнуть оптимальной производительности, но и сохранить достаточную простоту реализации системы.
При поступлении данных они сохраняются в буфере. Пусть данные поступают со скоростью R бит с. Они должные быть разделены на группы бит, которые будут затем присвоены DMT символу.
Скорость передачи DMT символа обратно пропорциональна его длительности Т, таким образом число бит присваиваемых символу будет b R.T. т.е. символьная скорость будет 1 Т . Из этих b бит, bi бит i 1 N 256 предназначены для использования в I подканале, таким образом Для каждого из N подканалов, соответствующие ему bi биты, транслируются кодером DMT в сложный символ Xi, с соответствующей амплитудой и фазой.
Каждый символ Xi, может быть рассмотрен как векторное представление процесса модуляции КAM на частоте несущей fi. Для данного вектора существует 2bi возможных значений. Фактически каждые bi бит представляют точку на сигнальной решетке КAM смотри рисунок 19 , присвоенную определенному каналу i в DMT символе. В результате получается N КAM векторов. Данные N векторов подаются на вход блок инверсного быстрого преобразования Фурье Inverse Fast Fourier Transform - IFFT . Каждый символ Xi представлен на определенной частоте, с амплитудой и фазой соответствующими КAM модуляции.
В результате N КAM векторов представляют из себя набор из N 256 равноудаленных друг от друга частот с заданными частотой и фазой. Данный набор преобразуется IFFT во временную последовательность. N выходов IFFT затем подаются на конвертер, преобразующий сигнал из параллельного в последовательный. Далее осуществляется цифроаналоговое преобразование, с помощью ЦАП DAC . Перед отправкой непосредственно в линию DMT- символ пропускается через аналоговый полосовой фильтр, который необходим для разделения по частоте направлений передачи от пользователя и к пользователю как видно, с точки зрения направления передачи система является системой с частотным разделением каналов ЧРК . Для приемника осуществляются обратные действия.
Рисунок 16. Приемопередатчик DMT. Существенной проблемой является ISI. Межсимвольная интерференция проявляется в том, что заключительная часть предыдущего DMT-символа искажает начало следующего символа, чья заключительная часть, в свою очередь искажает начало следующего за ним символа и т.д. Другим словами подканалы не являются полностью независимыми друг от друга с точки зрения частоты.
Наличие эффекта ISI приводит к появлению интерференции между несущими Inter-Carrier Interference - ICI . Для того, чтобы решить данную проблему существует три способа Ввести дополнительный интервал перед каждым символом. В данном случае передача по линии будет иметь всплески, причем длина такого всплеска будет равна длине DMT символа.
Однако в этом случае всплески, займут лишь около 30 всего времени, что критически снизит эффективность ADSL системы. Ввести корректор времени Time Domain Equalizer - TEQ для компенсации функции передачи по каналу. Однако это решение окажет существенное влияние на сложность аппаратной реализации, а также реализацию алгоритмов, необходимых для вычисления оптимального набора коэффициентов. Ввести циклический префикс cyclic prefix, который прибавляется к каждому модулированному сигналу.
Конечно число символов в таком префиксе должно быть значительно меньше N. Корректор осуществляет поиск на наличие данного префикса и, при наличии ISI предполагается, что интерференция распространится не далее данного префикса. Поскольку циклический префикс удаляется в приемнике, возможная ISI также удаляется до начала процесса демодуляции с помощью БПФ смотри также рисунок 24 . Данный метод снижает сложность аппаратной реализации, и вместе с тем позволяет достигнуть высокой эффективности.
Например 5 избыточность привносимая префиксом, является небольшой. Использование узких подканалов имеет преимущество, которое заключается в том, что характеристики кабеля линейны для данного подканала. Поэтому дисперсия импульса в пределах каждого подканала, а следовательно и необходимость в коррекции в приемнике будет минимальна. В следствии наличия импульсного шума принятый символ будет искажен, однако БПФ раскидает данный эффект по большому числу подканалов, в результате чего вероятность ошибки будет невелика.
При использовании DMT количество бит данных, передаваемых по каждому подканалу может варьироваться в зависимости от уровня сигнала и шума в данном подканале. Это не только позволяет максимизировать производительность для каждой конкретной абонентской линии, но также позволяет уменьшить влияние таких эффектов как переходные помехи или RFI смотри рисунок 18 . Количество бит данных, передаваемых по каждому подканалу определяется на фазе инициализации.
В общем случае использование более высоких частот вызывает более сильное затухание, что приводит к необходимости использования КAM более низкой разрядности. С другой стороны, затухание на низких частотах будет ниже, что позволяет использовать КAM более высокой разрядности. В дополнении к этому, распределение количества бит по подканалам может адаптироваться на фазе передачи данных, в зависимости от качества канала. Рисунок 17. Распределение бит по частотным подканалам при использовании DMT. Коды, исправляющие ошибкиВведениеВ связи с наличием импульсного шума, должны быть описаны средства, позволяющие приемопередатчику ADSL противостоять данному эффекту, а также поддерживать требуемое значение коэффициента ошибок BER для обеспечения хорошего качества передачи.
Для этих целей используются коды исправляющие ошибки. Из всего многообразия кодов данной разновидности, после длительных исследований, ANSI выбрал код Рида-Соломона Reed-Solomon - RS в качестве обязательного для всех приемопередатчиков ADSL. Исправление ошибок с помощью кода RS достигается путем внесения избыточности.
Кроме того, существует возможность повысить кратность исправляемой ошибки, путем увеличения кодового слова RS, что конечно приведет к появлению дополнительной задержки. Примечание Необходимо отметить, что некоторые службы могут иметь собственные средства для защиты от ошибок. Например, служба Видео по запросу Video on Demand - VoD , использует схему компрессии видеоизображения MPEG2, которая поддерживает собственные средства защиты от ошибок.
Исправление ошибок с помощью кода Рида-Соломона Линейные блоковые коды Линейные блоковые коды представляют из себя коды проверки четности, которые могут быть записаны в виде n, k. Кодер трансформирует блок из k значащих символов вектор сообщения в более длинный блок из n кодовых символов кодовый вектор. В случае, когда алфавит состоит из двух элементов 0 и 1 , код является двоичным и состоит из двоичных символов или битов.
В общем случае n кодовых битов не обязательно состоят только из k значащих бит и n-k проверочных бит. Однако для упрощения аппаратной реализации рассматриваются только систематические линейные блоковые коды. В этом случае кодовый вектор образуется путем прибавления проверочных бит к вектору сообщения. Для получения кодового вектора, вектор сообщения умножается на порождающую матрицу. На приемной стороне кодовый вектор умножается на проверочную матрицу для осуществления проверки, попадает ли он в разрешенный набор кодовых слов. Принятый вектор является верным тогда, и только тогда, когда результат его умножения на проверочную матрицу равен 0. Код Рида-Соломона Не двоичные коды Рида-Соломона являются специальным классом линейных блоковых кодов.
RS коды функционируют точно так же как и двоичные коды. Единственным различием являются не двоичные символы. Алфавит RS кодов состоит из 256 элементов. Именно поэтому данный класс кодов является не двоичным. n, k RS код представляет из себя циклический код, который преобразует блок из k байтов в блок из n байтов n255 . С точки зрения кодового расстояния RS коды функционируют наилучшим образом для заданных n и k, т.е. dmin n-k 1 dmin - минимальное расстояние. Аппаратная реализация RS кодера выполняется в виде одного чипа, и позволяет добавить к вектору сообщения до 32 байт, причем максимальный размер кодового вектора может достигать 255 байт. Наиболее часто используется RS код 255,239 . С помощью 16 проверочных байт осуществляется коррекция до 8 ошибочных байт в кодовом векторе поскольку dmin 255-239 1 17 2t 1 . Принцип чередования бит Interleaving Чередование бит в закодированных сообщениях перед их передачей и обратный процесс при приеме приводит к распределению пакетов ошибок по времени и таким образом обрабатываются декодером как независимые ошибки.
Для осуществления данного процесса кодовые символы перемещаются на расстояние в несколько длин блоков для блоковых кодов или нескольких ограниченных длин для сверточных кодов.
Необходимое расстояние определяется длительностью пакета ошибок.
Принцип чередования бит должен быть известен приемнику для осуществления обратного чередования бит принимаемого потока для последующего декодирования. Существует два метода осуществления чередования бит - блочное и сверточное. С точки зрения производительности оба метода имеют сходные показатели. Наиболее важным преимуществом сверточного чередования является снижение задержки при передачи из конца в конец, а также требований к памяти на 50 . Для данных, прошедших процедуру чередования, кратность исправляемой ошибки умножается на глубину чередования.
Необходимо отметить, что существующие в настоящее время службы являются либо чувствительными к задержке, но нечувствительными к BER, либо наоборот, чувствительными к BER и не чувствительными к задержке. Чередование бит и Коды Рида-Соломона в приемопередатчике ADSL На рисунке 18 приведена структурная схема приемопередатчика ADSL, включающая кодер и декодер Рида-Соломона, а также устройства прямого и обратного чередования бит. Принимаемые данные разделяются на две группы, в зависимости от их требований к задержке. Первая группа содержит данные, которые могут подвергаться значительным задержкам, например однонаправленная видеоинформация.
Такие данные будем называть медленными данными. Вторая группа, не подвергается чередованию бит но кодируется кодом Рида-Соломона и содержит данные чувствительные к задержкам, например двунаправленный голос.
Данную группу назовем быстрыми данными. Требования по быстрой или замедленной передаче данных могут быть получены из заголовка передаваемой АТМ-ячейки на основе идентификаторов VP VC . Это означает, что несколько служб, с различными типами данных могут передаваться по линии вместе, в одно и то же время. Например, возможно перекачивать файл, определенный как медленные данные для максимальной защиты от ошибок, и одновременно передавать видео или аудио информацию, определенную как быстрые данные.
В передатчике медленные данные записываются в буфер для обратного чередования бит, тогда как быстрые данные записываются в буфер быстрых данных. Для каждого DMT символа BF байт извлекаются из буфера быстрых данных и BI из буфера медленных данных. Таким образом, в каждом DMT символе передается B BF BI байт. В приемнике, первые BF байт из принятого DMT символа помещаются в буфер быстрых данных и затем, декодируются декодером Рида-Соломона F . Следующие BI байт помещаются в буфер медленных данных, затем производится обратное чередование бит и только после этого декодирование в декодере Рида-Соломона I . Рисунок 22. Кодер и декодер Рида-Соломона в приемопередатчике DMT. Сравнение DMT с CAP Данный раздел посвящен сравнению методов модуляции DMT и CAP. Аргументы в пользу DMT Битовая скорость может изменяться с малым шагом несколько кбит с. Аппаратное обеспечение DMT проще программируется для поддержки различных скоростей данных от пользователя и к пользователю.
Поддерживается оперативное изменение скорости Лучшая защита от радиочастотной интерференции Благодаря возможности адаптивно изменять количество присваиваемой DMT символу информации, а также мощности передачи, использование линии близко к оптимальному. Очень гибкая настройка мощности, мощность в каждом канале может увеличена или уменьшена.
DMT более устойчива к импульсному шуму, чем CAP. Однако, когда в случае появления импульсного шума достаточно большой длительности происходит нарушение работы системы, то это приводит к существенным всплескам ошибок.
Поэтому, при выборе длины DMT символа и кода исправляющего ошибки должны учитываться длительность импульсного шума и время между поступлением последовательных символов. Системы компании Алкатель спроектированы таким образом, чтобы исправлять два DMT символа, что позволяет им противостоять импульсному шуму длительностью до 700 мксек без возникновения ошибки.
CAP имеют ту же сложность реализации, исчисляемую для сигнального процессора в миллионах операций в секунду Million Operations Per Seconds - MIPS . требуется меньшая корректировка при медленной работе сигнального терминала, чем при использовании CAP. Аргументы против DMT DMT использует блоковое преобразование БПФ , что приводит к появлению больших задержек. Однако при правильной конфигурации системы, данная задержка будет незначительной даже для служб, чувствительных к задержкам, например телефонии или узкополосной ЦСИС. Полная процедура инициализации, необходимая для DMT требует значительного времени порядка 20 сек Большой пикфактор отношение мгновенной мощности к ее среднему значению в передаваемом DMT сигнале может привести к появлению дополнительного шума и дорогого аналого-цифрового преобразования.
Этого можно избежать правильным проектированием системы, а также использованием кода Рида-Соломона. CAP позволяет использовать более простые коды, исправляющие ошибки, чем DMT. На сегодняшний день существует много крупных компаний, которые занимают ведущие позиции на мировом рынке связи.
Некоторые из них занимаются продажей ADSL оборудования. Например, такие как Alcatel, Cisco Systems, Ericsson - компании являющиеся мировыми лидерами на рынке связи. Выбирая из этих компаний, лучшую в отрасли предоставления DSL услуг, можно глядя на ряд параметров. Например, компания Ericsson больше сосредоточена на предоставление услуг мобильной связи, и разработкой DSL технологий начала заниматься сравнительно недавно. Компания Cisco Systems ориентирована на рынок маршрутизаторов и коммутаторов, использующихся для построения глобальных IP сетей.
По сравнению с Ericsson, компания Cisco Systems больше уделяет внимания DSL технологиям, но они в свою очередь не ориентированы на конечного пользователя. Компания Alcatel является лидирующей компанией по продаже оборудования доступа в глобальную сеть Интернет. И намного больше уделяет внимания продвижению ADSL технологии.
На основе анализа стоимостных, эксплуатационных и технических характеристик ADSL систем компаний Alcatel и Cisco Systems, который был рассмотрен ниже в технико - экономическом обосновании, было принято решение, что для построения сети доступа на базе оборудования ADSL более выгодно использовать продукцию компании Alcatel ГЛАВА II. Технологические характеристики оборудования ADSL компании Алкатель 2.1