Đồ án Thực hiện kĩ thuật điều chế đa tần rời rạc DMT với công nghệ ADSL

Thực hiện kĩ thuật điều chế đa tần rời rạc DMT cho công nghệ đường dây thuê bao số bất đối xứng ADSL. Mục lục Mục lục .................................................................................................................1 Lời nói đầu ............................................................................................................2 Chương I: Tổng quan về công nghệ đường dây thuê bao số xDSL ................4 1. Sự ra đời của đường dây thuê bao số xDSL ................................................4 2. So sánh công nghệ DSL với một số công nghệ truyến dẫn tốc độ cao khác .7 2.1. So sánh DSL với phương pháp truy nhập quang ................................7 2.2. So sánh DSL với Cáp đồng trục...........................................................8 2.3. So sánh DSL với truyền dẫn không dây ..............................................9 2.3.1. Vô tuyến mặt đất ..........................................................................9 2.3.2. Các dịch vụ vệ tinh.......................................................................9 3. Mô hình tổng quát của một hệ thống DSL....................................................10 4. Kết luận .........................................................................................................11 5. Ứng dụng của DSL trên thế giới và tại Việt nam .........................................11 Chương II: Mạch vòng thuê bao và vấn đề nhiễu .............................................14 1. Sự hình thành một mạch vòng thuê bao........................................................14 2. Đôi dây xoắn .................................................................................................15 2.1. Tín hiệu mode chung và tín hiệu vi sai .................................................16 2.2. Cân bằng................................................................................................16 2.3. Cầu rẽ ....................................................................................................16 3. Nhiễu trên mạch vòng thuê bao ....................................................................17 3.1. Xuyên âm ..............................................................................................17 3.1.1. Các loại xuyên âm.......................................................................17 3.1.1.1. Xuyên âm đầu gần (NEXT) ............................................. 3.1.1.1.1. NEXT suy giảm và NEXT được khuếch đại ..... 3.1.1.1.2. Tự xuyên âm đầu gần (sefl-NEXT) ................... 3.1.1.2. Xuyên âm đầu xa (FEXT)................................................ 3.1.1.2.1. FEXT đồng mức (EL-FEXT)............................. 3.1.1.2.2. FEXT không đồng mức (Unequal Lever-FEXT) 3.1.2. Các kết quả thống kê về xuyên âm ............................................. 3.1.2.1. 1% trường hợp xấu nhất của NEXT ................................ 3.1.2.2. 1% trường hợp xấu nhất của FEXT ................................. 3.2. Nhiễu tần số Radio. 3.3. Nhiễu xung............................................................................................ 4. Các phương pháp song công ........................................................................ 4.1. Song công 4 dây.................................................................................... 4.2. Song công triệt tiếng vọng .................................................................... 4.3. Song công phân chia theo tần số ........................................................... 4.4. Song công phân chia theo thời gian ...................................................... 4.5. Các phương pháp song công hỗn hợp................................................... Chương III: Công nghệ đường dây thuê bao số bất đối xứng ADSL và lí thuyết đa tần rời rạc I - Tổng quan về công nghệ đường dây thuê bao số bất đối xứng ADSL........ 1. Mô hình tổng quát và nguyên lí hoạt động của ADSL.................................. 2. Điều chế tín hiệu trong ADSL....................................................................... SV: Cù Thị Hạnh - Lớp ĐT2 – CĐ1A 1 Thực hiện kĩ thuật điều chế đa tần rời rạc DMT cho công nghệ đường dây thuê bao số bất đối xứng ADSL. 3. Song công và sử dụng tần số ......................................................................... 3.1. Song công phân chia theo tần số ........................................................... 3.2. Song công triệt tiếng vọng..................................................................... 4. ADSL Lite ..................................................................................................... 5. Truyền tải qua ADSL .................................................................................... 6. Các ưu và nhược điểm của ADSL................................................................. 6.1. Các ưu điểm của ADSL......................................................................... 6.2. Các nhược điểm của ADSL................................................................... II – Các phương pháp điều chế ........................................................................... 1. Điều chế đa tần rời rạc................................................................................... 1.1. Điều chế đa sóng mang.......................................................................... 1.2. Điều chế QAM....................................................................................... 2. Điều chế đa tần rời rạc (DMT) ...................................................................... 2.1. Nguyên lí của điều chế đa tần rời rạc .................................................... 2.2. DMT và DFT......................................................................................... 2.3. Hệ thống DMT và các tham số của nó ................................................. 2.3.1. Kênh truyền và ảnh hưởng của kênh truyền.................................. 2.3.2. Hệ thống đơn sóng mang............................................................... 2.3.3. Xấp xỉ QAM vuông ....................................................................... 2.3.4. Phân tích đa sóng mang................................................................. 2.3.4.1. Các giả thiết ..................................................................... 2.3.4.2. Tính tốc độ hoặc độ dự phòng......................................... 2.3.4.3. Tổng kết các bước tính toán hoạt động của một hệ thống DMT 2.3.5. DMT với khối chiều dài hữu hạn ................................................. 2.3.6. Phân chia tải bit (Bit Loading) ..................................................... 2.3.6.1. Các thuật toán tải bit....................................................... 2.3.6.2. Thuật toán tối ưu “rót nước” .......................................... 2.3.7. Cân bằng cho DMT ...................................................................... 2.4. Sơ đồ tổng thể một hệ thống DMT........................................................ 2.4.1. Máy phát DMT ............................................................................. 2.4.2. Máy thu DMT............................................................................... 3. Mã sửa lỗi Reed – Solomon .......................................................................... 3.1. Giới thiệu về mã Reed – Solomon......................................................... 3.2. Các đặc điểm của mã RS ....................................................................... 3.2.1. Cấu tạo mã RS .............................................................................. 3.2.1.1. Đa thức trường................................................................. 3.2.1.2. Đa thức sinh..................................................................... 3.2.2. Khả năng sửa sai của mã RS ........................................................ 3.2.3. Tăng ích điều chế (coding gain) của mã RS................................. 3.3. Mã hóa và giải mã các mã RS .............................................................. 3.3.1.Mã hóa RS và kiến trúc bộ mã hóa RS.......................................... 3.3.2. Giải mã RS và kiến trúc bộ mã RS............................................... Chương IV: Kiến trúc ADSL ứng dụng kĩ thuật điều chế đa tần rời rạc DMT 1. Mô hình tham chiếu của hệ thống ADSL...................................................... 2. Sơ đồ máy thu phát ADSL............................................................................. SV: Cù Thị Hạnh - Lớp ĐT2 – CĐ1A 2 Thực hiện kĩ thuật điều chế đa tần rời rạc DMT cho công nghệ đường dây thuê bao số bất đối xứng ADSL. 3. Cấu trúc kênh thông tin trong ADSL ............................................................ 4. Mào đầu ADSL.............................................................................................. 4.1. Kênh EOC............................................................................................... 4.2. Kênh AOC và Bit swapping ................................................................... 4.3. Các bit chỉ thị (indicator bits) ................................................................. 5. Vấn đê chuẩn định thời mạng (NTR) ............................................................ 5.1. Sự cần thiết của chuẩn định thời mạng................................................... 5.2. Việc truyền NTR .................................................................................... 5.3. Khôi phục định thời ................................................................................ 6. Chi tiết các khối ............................................................................................. 6.1. Máy phát ................................................................................................. 6.1.1. Tạo khung ...................................................................................... 6.1.2. Tạo mã kiểm tra CRC.................................................................... 6.1.3. Ngẫu nhiên hóa (Scrambler).......................................................... 6.1.4. Mã sữa lỗi tiến FEC (mã hoá Reed-Solomon) .............................. 6.1.5. Cài xen (Interleaving).................................................................... 6.1.6. Âm chuẩn (Pilot Tone) .................................................................. 6.1.7. Sắp xếp tone (tone ordering) và mã hoá chòm sao........................ 6.1.7.1. Tone ordering ..................................................................... 6.1.7.2. Mã hoá chòm sao................................................................ 6.1.8. Điều chế DMT (IFFT) .................................................................. 6.1.9. Thêm Cyclic Prefix ...................................................................... 6.1.10. Biến đổi số - tương tự và xử lí tín hiệu tương tự ........................ 6.2. Máy thu.................................................................................................... 6.2.1. Biến đổi tương tự - số .................................................................. 6.2.2. Cân bằng miền thời gian (TEQ) ................................................... 6.2.3. Giải điều chế DMT và cân bằng miền tần số (FEQ) .................... 6.2.4. Giải mã chòm sao và tách bit ....................................................... 6.2.5. Giải cài xen................................................................................... 6.2.6. Giải mã sửa lỗi tiến và giải ngẫu nhiên hoá ................................. 6.2.7. Giải mã CRC và phân khung (deframe) ....................................... 7. Khởi tạo kết nối truyền thông........................................................................ 7.1. Kích hoạt và xác nhận ............................................................................. 7.2. Huấn luyện bộ thu phát............................................................................ 7.3. Phân tích kênh truyền .............................................................................. 7.4. Trao đổi.................................................................................................... Phụ lục A: Các thuật ngữ và từ viết tắt Phụ lục B: Các tổ chức, các khuyến nghị và các chuẩn về xDSL Phụ lục C: Tài liệu tham khảo SV: Cù Thị Hạnh - Lớp ĐT2 – CĐ1A 3 Thực hiện kĩ thuật điều chế đa tần rời rạc DMT cho công nghệ đường dây thuê bao số bất đối xứng ADSL. Lời mở đầu Cách đây hơn một trăm năm, loài người đã chứng kiến sự ra đời của chiếc máy điện thoại đầu tiên trên thế giới. Từ đó đến nay, điện thoại luôn đóng một vị trí quan trọng trong cuộc sống của con người và ngày càng trở thành một phương tiện không thể thiếu được trong mỗi gia đình. Theo dự báo của tổng công ty Bưu chính Viễn thông Việt nam, số máy điện thoại của Việt nam năm 2000 đến năm 2010 sẽ đạt bình quân từ 20 đến 22 máy trên 100 dân. Ngoài mục đích đàm thoại, đã từ lâu đường dây điện thoại được sử dụng cho mục đích truyền số liệu, nhất là từ khi Internet ra đời thì việc truy cập Internet bằng Modem thoại ngày càng phổ biến. Ban đầu, người ta chỉ có nhu cầu truyền và nhận thông tin dưới dạng những kí tự hay hình ảnh tĩnh nên tốc độ của những Modem băng thoại dường như đã đáp ứng đủ. Thế nhưng, trong những năm gần đây khi mà Internet trở thành một mạng toàn cầu với số lượng thông tin khổng lồ, những dịch vụ hấp dẫn với âm thanh và hình ảnh sống động, đòi hỏi thời gian thực thì những Modem băng thoại không còn đủ khả năng truyền tải nữa bởi băng thông cho những dịch vụ đó quá lớn lên đến hàng chục, hàng trăm Mbps trong khi Modem thoại chỉ truyền tối đa vài chục Kbps. Hơn thế nữa, trong thời kì này các dịch vụ băng rộng phi thoại như đào tạo từ xa, truyền hình theo yêu cầu… cũng bắt đầu phát triển mạnh dẫn đến nhu cầu của mạng truy nhập thuê bao ngày càng tăng. Trong khi việc cáp quang hoá hoàn toàn chưa thực hiện được vì chi phí khá cao mà những đối tượng như gia đình hay văn phòng nhỏ khó có thể đáp ứng được nên việc tồn tại song song cả cáp quang và cáp đồng là điều tất yếu. Thực tế này thúc đẩy các nhà nghiên cứu Viễn thông phải nhanh chóng tìm ra một giải pháp hiệu quả để cung cấp các dịch vụ băng rộng tới khách hang. Trong số các giải pháp được đưa ra, công nghệ đường dây thuê bao số xDSL (Digtal Subscriber Line) nổi bật tính khả thi hơn cả. Công nghệ xDSL không những đáp ứng được yêu cầu truyền số liệu một cách nhanh chóng đáp ứng nhu cầu ngày càng đa dạng của khách hàng mà nó còn không đòi hỏi vốn đầu tư ban đầu lớn do tận dụng cơ sở hạ tầng sẵn có của mạng điện thoại truyền thống. Mặc dù đã phát triển mạnh mẽ trong những năm gần đây trên thế giới nhưng ở Việt nam xDSL còn khá mới mẻ. Tuy nhiên, trong tương lai không xa chắc chắn xDSL và đặc biệt là sự phát triển của ADSL trên cơ sở kĩ thuật điều chế đa tần rời rạc DMT đã được chuẩn hoá sẽ có một ví trí quan trọng trong thị trường Viễn thông Việt nam. Qua quá trình tìm hiểu với những kiến thức ban đầu về công nghệ xDSL, em đã chọn đề tài cho đồ án tốt nghiệp của mình là “Thực hiện kĩ thuật điều chế đa tần rời rạc DMT với công nghệ ADSL” Đồ án được chia làm 4 chương: Chương I: Tổng quan về công nghệ đường dây thuê bao số xDSL. Trong chương này sẽ trình bày sự ra đời của công nghệ và triển vọng của nó. Chương II: Mạch vòng thuê bao và vấn đề nhiễu. Trong chương này sẽ trình bày sẽ trình bày một mạch vòng thuê bao và vấn đề nhiễu trên mạch vòng thuê bao. SV: Cù Thị Hạnh - Lớp ĐT2 – CĐ1A 4 Thực hiện kĩ thuật điều chế đa tần rời rạc DMT cho công nghệ đường dây thuê bao số bất đối xứng ADSL. Chương III: Công nghệ đường dây thuê bao số bất đối xứng ADSL và lí thuyết đa tần rời rạc AMT. Trong chương này sẽ trình bày tổng quan về hệ thống ADSL và phương pháp xử lí tín hiệu DMT trong ADSL. Chương IV: Kiến trúc ADSL dùng kĩ thuật điều chế đa tần rời rạc DMT. Chương này sẽ trình bày sơ đồ máy thu phát ADSL và cấu trúc khung thông tin ADSL và các vấn đề khác có liên quan. Mặc dù đã hết sức cố gắng nhưng do hạn chế về mặt thời gian cũng như về trình độ nên đồ án của em chắc chắn không tránh khỏi những thiếu sót, em rất mong nhận được sự phê bình, hướng dẫn và giúp đỡ của thầy cô và các bạn. Cuối cùng, em xin bày tỏ sự cảm ơn sâu sắc tới cô Nguyễn Thuý Anh – giáo viên đã tận tình hướng,dẫn chỉ bảo, cung cấp tài liệu cho em trong suốt thời gian thực hiện. Em xin cảm ơn thầy Nguyễn Hữu Trung - người đã tận tình giúp đỡ em trong quá trình thực hiện đồ án này. Em cũng xin được cảm ơn sự giúp đỡ của các thầy cô khác trong khoa Điện tử - Viễn thông, trường đại học Bách Khoa Hà nội. Hà nội, tháng 5 năm 2005 Sinh Viên: Cù Thị Hạnh SV: Cù Thị Hạnh - Lớp ĐT2 – CĐ1A 5 Thực hiện kĩ thuật điều chế đa tần rời rạc DMT cho công nghệ đường dây thuê bao số bất đối xứng ADSL. Chương I: Tổng quan về công nghệ đường dây thuê bao số xDSL. 1. Sự ra đời của đường dây thuê bao số xDSL. xDSL, viết tắt của cụm từ Digital Subscriber Line (đường dây thuê bao số) trong đó chữ “x” thể hiện các kĩ thuật khác nhau, là thuật ngữ để chỉ công nghệ truyền số liệu tốc độ cao đi và đến trên đôi dây điện thoại truyền thống. Như ta biết, đường dây điện thoại từ tổng đài đến mỗi thuê bao thường là một đôi dây đồng, hai sợi trong một đôi dây được xoắn lấy nhau tạo nên một đôi dây xoắn. Với dịch vụ điện thoại thông thường người ta chỉ lấy khoảng tần số từ 0,3 đến 3,4 Khz của tiếng nói và truyền tín hiệu trong khoảng tần số đó trên mạch vòng thuê bao. Trong khi đó, bản chất của sợi dây đồng có khả năng truyền tải các tần số lớn hơn rất nhiều. Nghĩa là, còn một khoảng băng thông rất lớn của đường dây thuê bao điện thoại tương tự chưa được sử dụng. Công nghệ DSL ra đời chính là để khai thác khoảng băng thông đó. Sự ra đời của DSL đã tạo ra một bước ngoặt cho việc sử dụng đường dây điện thoại. Các nhà giả kim đã phải thốt lên rằng DSL đã biến đồng thành vàng. Tùy thuộc vào độ dài của các mạch vòng, các công nghệ DSL có thể cung cấp băng thông từ 128Kbps đến 52Mbps. Băng thông của các công nghệ DSL có thể là đối xứng (Symmetric) hoặc bất đối xứng (Asymmetric). Các công nghệ DSL đối xứng cung cấp băng thông bằng nhau cho cả hai hướng: hướng lên (Upstream) là hướng từ khách hàng đến mạng và hướng xuống (Downstream) là hướng từ mạng đến khách hàng trong khi các công nghệ DSL bất đối xứng cung cấp băng thông không bằng nhau cho mỗi hướng (thông thường hướng xuống có băng thông cao hơn hướng lên). DSL bất đối xứng rất thích hợp cho những ứng dụng mà các thuê bao có nhu cầu nhận dữ liệu nhiều hơn là gửi dữ liệu như truy cập Internet hay truyền hình theo yêu cầu (Video On Demand) Họ xDSL có những thành viên sau đây: IDSL-ISDN DSL: DSL đa dịch vụ. Ngay từ đầu những năm 1980, ý tưởng về một đường dây thuê bao số cho phép truy nhập mạng số đa dịch vụ (ISDN) đã hình thành. DSL cho phép sử dụng tốc độ 144 Kbps của mạch vòng 2B+D ở cả hai chiều. Trong ISDN, một đầu đấu nối tới tổng đài trung tâm bằng một kết cuối đường dây LT (Line Termination), đầu kia nối tới tổng đài trung tâm bằng một kết cuối mạng NT (Network Termination). Để cho phép truyền song công người ta sử dụng kĩ thuật khử tiếng vọng. ISDL có thể đáp ứng được các dịch vụ như: Hội nghị truyền hình, đường dây thuê riêng (Leased Line), các hoạt động thương mại như truy cập Internet… HDSL-High bit Rate DSL: DSL tốc độ bit cao. Truyền song công sử dụng kĩ thuật mã hoá 2B1Q có khử tiếng vọng. Đây là loại DSL đối xứng, cung cấp tốc độ đường truyền tương đương với đường T1 hoặc SV: Cù Thị Hạnh - Lớp ĐT2 – CĐ1A 6 Thực hiện kĩ thuật điều chế đa tần rời rạc