Đồ án Công nghệ ADSL sử dụng phương pháp điều chế DMT

Lời nói đầu Đi cùng với sự phát triển của xã hội các nhu cầu về dịch vụ thông tin truyền số liệu, truy cập Internet, các dịch vụ thương mại, giải trí, các dịch vụ thông tin tốc độ cao ngày càng trở thành một nhu cầu cấp bách cho các nhà cung cấp dịch vụ viễn thông. Trước đây các dịch vụ sử dụng đôi dây điện thoại thông thường thì tốc độ còn rất hạn chế. Như vậy để cung cấp các dịch vụ tốc độ cao thì các môi trường truyền dẫn khác cần phải được lắp đặt như cáp đồng trục, cáp quang … Việc đầu tư lắp đặt mới này phải mất một khoảng thời gian dài với chi phí rất cao và độ rủi ro cho đầu tư là rất cao. Đường dây điện thoại, di sản phát minh của Graham Bell được đưa vào sử dụng rộng rãi trên mạng điện thoại từ khi điện thoại được đưa vào sử dụng trên thế giới. Đôi dây đồng này có thể chuyển tải lượng dữ liệu nhiều hơn ngoài các cuộc thoại. Việc sử dụng đôi dây này chỉ để truyền tiếng nói thật sự mới chỉ khai thác được một phần khả năng của cáp đồng, Công nghệ đường dây thuê bao số DSL sẽ sử dụng được phần khả năng còn lại của dây điện thoại mà không hề làm gián đoạn việc thực hiện các cuộc thoại. Kỹ thuật DSL ra đời đã tạo ra một bước ngoặt mới cho việc sử dụng đường dây điện thoại. Đường dây thoại trước đây chỉ dùng để truyền 1 kênh điện thoại băng tần từ 400 Hz đến 3400 Hz, thì giờ đây có thể truyền ở các băng tần lên tới hàng triệu Hz. Để truyền dẫn với tốc độ cao, băng tần sử dụng lớn thì cần phải có các bộ xử lý số tốc độ cao tiên tiến. Cùng với sự phát triển của công nghệ vi điện tử kỹ thuật DSL sẽ đáp ứng được các yêu cầu về tốc độ cũng như về chất lượng truyền dẫn. Với cơ sở hạ tầng sẵn có, công nghệ DSL đã cho phép đường dây điện thoại truyền tải các ứng dụng đa phương tiện mà trước đây chỉ có cáp quang mới thực hiện được. Đường dây điện thoại bây giờ là một phương tiện kinh tế nhất để truyền tải nhiều loại hình dịch vụ viễn thông tới hàng triệu khách hàng. Trong đồ án này sẽ giới thiệu về công nghệ DSL cùng với những ứng dụng của nó trong thực tiễn. Trong họ công nghệ xDSL thì ADSL với những ưu điểm của mình như cho phép sử dụng đôi dây điện thoại có sẵn để truyền tải những dịch vụ băng rộng như Video, truyền hình, internet tốc độ cao …mà không cần phải thay đổi cấu trúc mạng thoại thông thường. Công nghệ ADSL hiện nay đã được chuẩn hoá và sử dụng rộng rãi trên thế giới, ở Việt Nam hiện nay ADSL cũng đang được đưa vào sử dụng cho nên chúng ta đi vào nghiên cứu cụ thể công nghệ này và đặc biệt là công nghệ ADSL sử dụng phương thức điều chế DTM ( Discrete MultiTone Modulation ). Đồ án này bao gồm 5 chương : Chương 1 : Giới thiệu về công nghệ xDSL Chương 2 : Các loại DSL Chương 3 : Công nghệ ADSL sử dụng phương pháp diều chế DMT Chương 4 : Triển khai ADSL trên mạng WAN Chương 5 : Triển khai ADSL ở Việt Nam của VDC Trong quá trình thực hiện đề tài, em đã nhận được sự giúp đỡ tận tình của cô giáo hướng dẫn Nguyễn Thuý Anh, các giáo giáo viên trong khoa Điện Tử Viễn Thông trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội, các cán bộ Viện KHKT Bưu Điện. Qua đây em xin chân thành cảm ơn sự giúp đỡ của các thầy cô giáo cùng toàn thể các bạn những người đã giúp em hoàn thành đề tài này. Hà Nội, Ngày 10 tháng 5 năm 2003 Sinh viên thực hiện : Đỗ Thành Chung CHƯƠNG 1 : GIỚI THIỆU VỀ CÔNG NGHỆ XDSL 1.1 NGUYÊN TẮC VÀ Ý TƯỞNG Nhu cầu về các dịch vụ và thông tin tốc độ cao, độ tin cậy lớn đã có từ trước đây, nhưng những nhu cầu này chỉ được đáp ứng được một phần rất nhỏ do các dịch vụ sử dụng trên cáp đồng thông thường rất hạn chế về tốc độ ( 64 Kb/s ) Cáp đồng là một mạng có sẵn đầy tiềm năng nhưng những tiềm năng này chưa dược khai thác do công nghệ trước đây phát triển chưa đủ mạnh. Để cung cấp các dịch tốc độ cao yêu cầu phải lắp đặt các môi trường truyền dẫn mới như : Cáp quang, cáp đồng trục …Việc lắp đặt đường truyền dẫn mới cần phải mất một khoảng thời gian dài với một chi phí lớn mà ít người có thể chấp nhận được. Để truyền dẫn với tốc độ cao, băng tần sử dụng lớn thì cần phải có các bộ xử lý số tốc độ cao tiên tiến. Ngày nay với sự phát triển của ngành công nghệ vi điện tử các bộ vi xử lí tốc độ cao được sản xuất với giá thành rẻ được mọi người chấp nhận và nó đáp ứng được các yêu cầu về tốc độ cũng như về chất lượng truyền dẫn. Đây là nền tảng cho công nghệ xDSL ra đời. Công nghệ xDSL đầu tiên xuất hiện là HDSL khái niện ban đầu về HDSL bắt đàu từ năm 1986 trong phòng thí nghiệm của hãng Bellcore để thay thế cho luồng E1 và T1, tiếp đó hãng Bellcore nghiên cứu đến SDSL, ADSL và VDSL. Kỹ thuật DSL ra đời đã tạo ra một bước ngoặt mới cho việc sử dụng đường dây điện thoại. Đường dây thoại trước đây chỉ dùng để truyền 1 kênh điện thoại băng tần từ 400 Hz đến 3400 Hz, thì giờ đây có thể truyền ở các băng tần lên tới hàng triệu Hz để cung cấp các dịch vụ và thông tin tốc độ cao mà trước đây chỉ có cáp quang mới thực hiện được. Theo thống kê không chính thức (1999) trên thế giới có hơn 750 triệu đường dây điện thoại thông thường đây thật sự là một cơ sở hạ tầng đầy tiềm năng để ta có thể khai thác các dịch vụ xDSL. Trong họ xDSL thì ADSL được coi là công nghệ có triển vọng nhất hiện nay vì nó hầu như không yêu câù thay đổi đường cáp đồng hiện có và không yêu cầu thiết bị đầu cuối đắt tiền. Kể từ năm 1989 khi khái niệm ban đầu về ADSL xuất hiện nó đã phát triển một cách nhanh chóng với tốc độ ngày càng tăng từ 1,5 Mb/s lên 8 Mb/s ở đường xuống, đường lên lên tới 1.5 Mb/s (640 Kb/s đối với ADSL Lite) và giá thành ngày càng hạ. Hiện nay công nghệ ADSL đã được chuẩn hoá bởi hầu hết các tổ chức viễn thông trên thế giới và được các nhà sản xuất lớn sản xuất hàng loạt trên thị trường với giá thành thấp kích thước vật lý và công suất tiêu hao nhỏ. Công nghệ xDSL nói chung và công nghệ ADSL nói riêng đã và đang nhận được sự hỗ trợ mạnh mẽ từ phía những nhà sản xuất phần cứng và phần mềm trên thế giới. 1.2 TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ XDSL Trước khi đi vào giới thiệu cụ thể từng công nghệ DSL ta sẽ trình bày các vấn đề chung của toàn bộ công nghệ DSL như môi trường truyền dẫn đôi dây xoắn, phương pháp tận dụng băng tần, và nâng cao hiệu suất sử dụng phổ tần, các chỉ tiêu và ứng dụng của các công nghệ xDSL. 1.2.1 Đôi dây xoắn Như chúng ta đã biết công nghệ xDSL dựa trên nền tảng là mạng dây đồng có sẵn, Trong quá trình nâng cấp từ mang truy nhập cáp đồng lên mạng truy nhập số chúng ta sẽ gặp một số khó khăn nhất định . Dịch vụ điện thoại xuất hiện vào năm 1877 khi Alexander Bell nối điện thoại qua một đường dây đơn (Ground return) lấy đất làm đường về của mạch điện. Phương pháp này tránh được chi phí cho dây thứ hai nhưng truyền dẫn kém và không đủ tin cậy khi thời tiết khô. Những vấn đề này được giải quyết sau đó bằng cách sử dụng đôi dây song song (metallic return) cách nhau vài cm phương pháp này cung cấp đường về của tín hiệu đáng tin cậy hơn. Tuy nhiên hiện tượng xuyên âm (crosstalk) nhanh chóng được phát hiện đó là hiện tượng tín hiệu từ một đôi dây gần nó bị lẫn vào trong quá trình giao tiếp. Người ta phát hiện ra xuyên âm có thể giảm theo chu kỳ bằng cách thay đổi vị trí bên phải và bên trái của dây dẫn. Bell đã phát minh ra đôi dây xoắn (tiwsted pair) năm 1881 đó là đôi dây dẫn gồm hai dây riêng cách điện và được xoắn với nhau. Với bước xoắn vừa đủ năng lượng điện từ trường trên mỗi phần nhỏ của dây sẽ bị triệt tiêu bởi năng lượng bao quanh phần nhỏ dây tiếp theo. Cáp điện thoại ngày nay dược thiết kế sao cho mật độ xoắn trên mỗi đôi dây là khác nhau để đảm bảo xuyên âm là tối thiểu. Mặt khác đôi dây xoắn cũng có thể làm giảm bớt một chút suy hao tín hiệu điện vì diện cảm của dây xoắn có tác dụng bù diện dung của dây. Tuy nhiên đối với khoảng cách thuê bao lớn thì suy hao cũng rất lớn. Đối với các mạch vòng dài quá 5,5 km (18 kft) thì suy hao tín hiệu ở tần số lớn hơn 1 KHz vượt quá mức cho phép làm cho truyền dẫn thoại không chấp nhận được. Để giải quyết vấn đề này các cuộn gia cảm (Loading coil) sẽ được thêm vào đường dây nhằm tăng điện cảm của dây để cân bằng với dung kháng của dây. Giá trị điện cảm của cuộn gia cảm được tính toán phù hợp với điện dung của đường truyền, cuộn cảm có tác dụng nâng cao chất lượng của tín hiệu trong khoảng tần số truyền thống (0,3 tới 3,4 KHz) đồng thời triệt tiêu hầu hết tín hiệu nằm ngoài khoảng này. Đây là một khó khăn lớn cho việc mở rộng dải tần số sử dụng trên đường dây đồng thông thường và đối với công nghệ xDSL thì cuộn gia cảm này không được sử dụng. Sau đây là hình minh họa suy giảm trên cáp đồng và tác dụng của cuộn gia cảm. Trong công nghệ xDSL có nhiễu xuyên âm bởi vì mỗi dây trong cáp của đôi dây xoắn phát ra điện từ các trường điện từ này tạo ra dòng điện chạy trong các đôi dây bên cạnh dẫn đến tín hiệu xuyên âm không mong muốn trên các đôi dây này. Xuyên âm (crosstalk) là yếu tố chính hạn chế khả năng hoạt động của các hệ thống số sử dụng cùng băng tần số cho truyền dẫn thu và phát. Có hai kiểu xuyên âm thường gặp trong xDSL : Xuyên âm đầu gần ( NEXT-Near end crosstalk ) và xuyên âm đầu xa ( FEXT - Far end crosstalk ). Xuyên âm đầu gần NEXT là xuất hiện ở các bộ thu ở cùng đầu cáp với các bộ phát nhiễu ( từ bộ phát tới bộ thu đầu cuối gần ). Xuyên âm đầu xa FEXT là nhiễu gây ra bởi các đôi dây cho một đôi dây ở đầu bên kia của đường truyền ( từ bộ phát tới bộ thu đầu xa ). NEXT ảnh hưởng tới các hệ thống truyền trên cả hai hướng trong cùng một dải tần cùng một lúc và tại đầu gần, và nó luôn lớn hơn FEXT. NEXT có thể tránh được nếu như tín hiệu theo hai chiều được truyền trong những khoảng thời gian khác nhau hay ở những khoảng tần số khác nhau ( Đó là hai kỹ thuật song công phân chia tần số FDD và phân chia thời gian TDD mà ta sẽ xét kỹ hơn ở phần sau). Ngoài ra đôi dây xoắn còn chịu nhiều loại nhiễu từ bên ngoài tác động vào như : Nhiễu vô tuyến, nhiễu do các đường dây điện, máy hàn, đèn neon …Các nhiễu này thường không thể định trước một cách rõ ràng nhưng khi thiết kế lắp đặt chúng ta lại cần phải tính toán đến các loại nhiễu này. 1.2.2 Các giải pháp công nghệ chung trong xDSL Để nâng cao tốc độ và chất lượng truyền dẫn, các công nghệ xDSL phải áp dụng nhiều phương thức khác nhau nhằm mở rộng băng tần sử dụng và tăng hiệu suất sử dụng băng tần. Như thay vì sử dụng dải tần truyền thống ( 0.3 - 4.3 KHz ) bằng cách loại bỏ các cuộn gia cảm, đường dây điện thoại có thể hoạt động với tần số hàng MHz. Ngoài ra người ta còn đưa ra các phương thức thực hiện song công để sử dụng băng tần một cách có hiệu quả, các phương pháp điều chế sao cho phổ tín hiệu tương thích với đường truyền để giảm méo và nâng cao hiệu suất sử dụng phổ (Mỗi symbol sẽ mang thông tin của nhiều Bits), các phương pháp mã hoá để chống lỗi nâng cao chất lượng truyền dẫn. 1. Các phương thức thực hiện song công Hầu hết các dịch vụ DSL đòi hỏi song công trong việc truyền dữ liệu các phương thức song công để tách biệt tín hiệu trên các hướng ngược nhau. Có 4 phương thức thực hiện song công khác nhau : song công 4 dây, triệt tiếng vọng, song công phân chia tần số, song công phân chia theo thời gian. Ba phương pháp cuối cùng sử dụng trên cùng một đôi dây xoắn cho cả hai hướng truyền dẫn. Đối với mỗi trường hợp cụ thể thì chúng ta sẽ lự chọn phương thức song công nào hoặc sử dụng kết hợp các phương thức để phù hợp với hệ thống cần thiết kế. ( Song công 4 dây Sử dụng 2 đôi dây xoắn, mỗi đôi cho một hướng truyền. Song công 4 dây còn gọi là truyền dẫn “ đơn công đôi ”, bởi vì có hai kênh truyền dẫn đơn công ( một hướng ). Bất lợi của song công 4 dây là cần hai đôi dây xoắn thay vì một đôi như các phương pháp song công khác. Nhưng song công 4 dây là phương pháp song công với chi phí ít nhất nếu cáp đồng bổ sung là sẵn có. Tuy nhiên cáp đòng bổ sung thường là đắt, do vậy chi phí toàn bộ hệ thống là rất cao, mặc dù chi phí điện tử có thể ít hơn.Việc chi phí điện tử để tiết kiệm cáp đồng là vấn đề chung thường xảy ra trong kỹ thuật DSL. ( Song công phân chia theo tần số Đối với những hệ thống thực hiện song công ghép kênh phân chia tần số FDD ( Frequency Division Duplex ) thì quá trình thu và phát ở nằm ở 2 dải tần số khác nhau : Do phương thức song công FDD quá trình thu và phát ở nằm ở 2 dải tần số khác nhau do đó tránh được xuyên âm ở đầu gần (NEXT) nhưng vẫn phải tính đến nhiễu xuyên âm ở đầu xa (FEXT). Phương thức này có ưu điểm hệ thống sử dụng nó đơn giản cho nên giá thành thấp nhưng phương thức FDD lại có nhược điểm là tần số không được sử dụng một cách triệt để do băng tần thu phát nằm tách biệt do vậy phương thức song công này thường không dùng đơn lẻ trong hệ thống mà thường được sử dụng kết hợp với những phương thức khác. ( Song công phân chia theo thời gian Song công phân chia theo thời gian TDD ( Time Division Duplex ) là tại một thời điểm chỉ truyền theo một hướng. Việc điều khiển các đường liên kết thường được luân phiên tại các khoảng đều đặn giữa các hướng truyền. Do quá trình phát và thu nằm ở hai thời điểm hoàn toàn khác nhau nên TDD loại bỏ được nhiễu xuyên âm đầu gần NEXT. Nhưng TDD gây ra tổn thất là làm lỡ thời gian truyền dẫn. ( Song công triệt tiếng vọng Phương thức song công triệt tiếng vọng EC ( Echo Canceller ) đây là dạng phổ biến nhất của DSL hiện đại, kỹ thuật triệt tiếng vọng EC thì dải tần phát được đặt trong dải tần thu và phải dùng một bộ triệt tiếng vọng để phân tách đường thu và đường phát. Việc thực hiện song công ở cùng một băng tần số tại một thời điểm cho nên băng tần được sử dụng một cách có hiệu quả bù, nhưng phương thức song công triệt tiếng vọng thì các thiết bị lại rất phứ tạp và đắt tiền. 2. Các phương pháp điều chế Các tín hiệu truyền trên đường dây điện thoại đều là tín hiệu Analog. Điều chế nhằm biến đổi tín hiệu số đầu vào thành các tín hiệu Analog có dạng phổ phù hợp với đặc tuyến truyền dẫn của đường truyền để tín hiệu truyền trên nó sẽ hạn chế được méo, và sử dụng băng tần hiệu quả hơn.Các phương pháp điều chế thường được sử dụng là trong công nghệ xDSL là : 2B1Q, QAM, PAM, DMT. ( Điều chế 2B1Q Điều chế 2B1Q ( 2 Binary 1 Quartery ) được sử dụng nhiều trong công nghệ xDSL trước đây. Đây là phương pháp điều biên bốn mức, phương pháp này chỉ sử dụng một hàm cơ bản là:
Trong đó hàm sinc : sinc(x) = sin(x)/x Trong 2B1Q mỗi nhóm bit để mã hoá là b=2 bit cho nên sẽ có m=4 bản tin tương ứng sẽ có 4 symbol, mỗi symbol sẽ mang thông tin của 2 bit Dưới đây là mô hình điều chế và giải điều chế 2B1Q : ( Điều chế biên độ cầu phương QAM Điều chế biên độ cầu phương QAM ( Quadra Amplitude Modulation ) đây là phương pháp điều chế hai chiều sử dụng một sóng dạng (sin) và một sóng dạng (cos) có cùng tần số để truyền dữ liệu. Các bít sẽ được hợp nhóm tạo thành các bản tin để điều chế làm thay đổi biên độ và pha của sóng sin và sóng cos. Mỗi nhóm bit sẽ tương ứng với một sóng cos và sin có biên độ và pha cố định và khi sắp xếp trên mặt phẳng toạ độ cực ta được một mô hình điều chế. ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( QAM sử dụng hai hàm cơ bản để điều chế là :
;
Trong đó : ((t) là hàm điều chế băng gốc như dạng sin lồi hoặc cos lồi căn bình phương. ( Điều chế biên độ pha không sóng mang CAP Điều chế biên độ pha không sóng mang CAP ( Carrierless Amplitude and Phase Modulation ) Phương pháp điều chế này tương tự như QAM nhưng do lựa chọn khôn ngoan hai hàm cơ bản không có thành phần một chiều DC. Sự khác biệt giữa CAP và QAM là phương pháp thực hiện. QAM thực hiện bằng cách tạo ra hai tín hiệu thành phần khi trộn nó với hai sóng mang dạng cos và sin sau đó kết hợp trong miền Analog để tạo nên tín hiệu QAM. Còn việc thực hiện CAP thì không cần tạo ra hai sóng mang cos và sin mà ta tiến hành bằng cách cho chúng đi qua 1 cặp bộ lọc Hilbert có hai hàm đặc tuyến trực giao với nhau sau đó tổng hợp lại ta được tín hiệu đã điều chế CAP. Ngày nay người ta thường dùng các bộ lọc số thông dải, dùng 1 cặp có đặc tuyến biên độ bằng nhau nhưng pha lệch nhau 900 ( cặp Hilbert ), hai tín hiệu sau bộ lọc sẽ được đưa vào bộ biến đổi DAC rồi qua một bộ lọc nữa ta thu được tín hiệu đã điều chế. ( Điều chế đa tần rời rạc DMT Điều chế đa tần rời rạc DMT ( Discrete MultiTone Modulation ) là phương pháp điều chế đa sóng mang trong đó băng tần sử dụng được chia thành nhiều băng tần nhỏ mỗi băng tần sẽ được sử dụng để truyền dẫn một sóng mang điều chế các chuỗi bit tốc độ thấp. DMT có mối quan hệ mật thiết với thuật toán biến đổi Fourier nhanh FFT ( Fasr Fourier Transform ) Thuật toán mà DMT sử dụng để thực hiện điều chế và giải điều chế. Trên đây chỉ là những khái niệm cơ bản về DMT phương pháp thực hiện cụ thể và những ưu điểm của phương pháp này sẽ được nghiên cứu ở chương sau. Một biến thể của DMT là phương pháp điều chế đa tần sóng rời rạc DMWT ( Discrete Multiwavelet MultiTone Modulation ) trong đó toán tử Fourier được thay thế bằng toán tử sóng. Kỹ thuật này được sử dụng trong công nghệ VDSL. 3. Các phương pháp mã hoá Do môi trường truyền dẫn thông tin của đôi dây đồng chịu ảnh hưởng của nhiều nguồn nhiễu như xét ở trên làm số liệu thu có thể bị lỗi nên cần đưa thêm các bit phát hiện và sửa lỗi. Nhược điểm của việc đưa thêm các bit là giảm dung lượng thực và gây trễ trong quá trình truyền số liệu. Càng nhiều bit phát đi để phát hiện và sửa lỗi thì càng ít các bit mang thông tin. Thời gian trễ thông thường từ vài ms tới nhiều giây.Có hai phương pháp cơ bản để phát hiện và sửa lỗi được sử dụng trong truyền dẫn DSL là mã khối và mã xoắn. Trong mã khối, luồng thông tin được chia thành các khối có độ dài bằng nhau được gọi là các khối bản tin, các bit dư được bổ xung vào các khối theo một thuật toán nhất định phụ thuộc vào loại mã được sử dụng. Mã khối có thể phát hiện và sửa một hay nhiều bit thông tin. Mã xoắn được tạo ra bằng cách cho một chuỗi bit thông tin đi qua các tầng nhớ thường là các thanh ghi dịch tuyến tính hạn chế trạng thái. Điểm khác biệt cơ bản với mã khối là bộ lập mã phải có bộ nhớ để lưu giữ thời điểm trước. Ví dụ bộ mã hoá xoắn tốc độ 1/ 2 tạo ra 2 bit cho mỗi bit đầu vào. Quan hệ giữa đầu ra và đầu vào bộ mã hoá càng lớn, các bit dư càng lớn thì chống lỗi càng tốt. Ví dụ, bộ mã hoá xoắn tốc độ 1/ 4 có khả năng chống lỗi tốt hơn bộ mã xoắn tốc độ 1/ 2. Tuy nhiên, bộ mã xoắn 1/ 4 tạo ra 4 bit cho mỗi bit đầu vào của số liệu người sử dụng nên nếu dung lượng kênh truyền là 40 kbit/s thì người sử dụng chỉ gửi số liệu với tốc độ 10 kbit/s. Do đó phát hiện và sửa lỗi làm giảm dung lượng hệ thống.