ADSL - 2. část

Ekvalizace signálu v časové oblasti, adaptivní lineární ekvalizér, DFE zpětnovazební ekvalizér, Tomlinsonův prekodér, referenční model ADSL systému, transportní kapacita, přenosové zpoždění, NTR, rámce, cyklická chybová kontrola CRC.

Ekvalizace (úprava) signálu v časové oblasti

U DSL technologií jsou přenesené pulsy neidentifikovatelné bez potřebné ekvalizace. Informační bity jsou konvertovány do sekvencí symbolů. Přenosová rychlost je dána symbolovou rychlostí a počtem bitů přenášených každým datovým symbolem. Čím je vyšší symbolová rychlost, tím je vyšší přenosová rychlost. Maximální symbolová rychlost je ale limitovaná útlumovým a fázovým zkreslením. Zkreslení přenosového kanálu způsobuje „rozprostření“ datových symbolů a jejich vzájemné překrývání a vznik symbolové interference (ISI).

Efekt přenosového zkreslení je minimalizován použitím ekvalizéru, který upravuje rozprostření datových symbolů po průchodu přenosovým kanálem. Pokud rozdělíme přenosové pásmo do velkého počtu malých frekvenčních oblastí (např. použitím DMT), minimalizujeme kanálové zkreslení na minimum. Ovšem i u těchto DSL systémů je následná ekvalizace účelná.

Teoreticky má ekvalizér inverzní impulsovou odezvu k přenosovému kanálu. V praxi je ekvalizer implementován pomocí digitálního adaptivního filtru. Adaptivní ekvalizéry lze dále kategorizovat:

• Adaptivní lineární ekvalizér
• Ekvalizér se zpětnou vazbou (DFE – Decision Feedback Equaliser)
• Tomlinsonův prekodér

U ADSL systémů se používá lineární ekvalizace s kombinací Tomlinsonova prekodéru nebo DFE (záleží na výrobci zařízení).

Adaptivní lineární ekvalizér

Adaptivní proces se používá k určení optimálních koeficientů pro ekvalizaci. Lineární ekvalizér je většinou realizován FIR filtrem. Výstup lineárního filtru závisí pouze na přijímaném signálu, narozdíl od DFE kde rozhodnutí závisí na odhadnutí datových symbolů (zpětná vazba). Schéma lineárního ekvalizéru je na obrázku 14.

Obrázek 14: Lineární ekvalizer.

Signál na vstupu ekvalizeru je vzorkován a kvantován a až poté se zpracovává. Pokud je perioda vzorkování totožná se symbolovou periodou, potom se systém nazývá Symbol spaced (SS) equaliser. Pokud je perioda vzorkování menší než symbolová perioda, potom se systém nazývá Fractionally spaced (FS) equaliser. Nevýhoda lineárního ekvalizeru je zvýšení šumu po jeho použití.

DFE zpětnovazební ekvalizer

V DFE ekvalizéru, na rozdíl od lineárního, se úprava signálu provádí s využitím znalosti předešlého dekódovaného symbolu. Znalost předešlého symbolu umožňuje tento symbol použít a odečíst od následujícího datového vzorku. Tím se ISI zmenší na minimum. Schéma zpětnovazebního ekvalizéru je na obrázku 15.

Obrázek č.15: DFE ekvalizer.

Dopředný filtr je tvořen lineárním ekvalizerem (viz předešlá kapitola), jeho funkce je minimalizovat ISI. Zpětnovazební filtr redukuje ISI bez zvětšení šumu.

Přídavný zisk při použití DFE zpětnovazebního ekvalizeru je 9,8 dB (což je přibližně o 4 dB více než u lineárního ekvalizéru). Nevýhodou DFE je, že pokud v rozhodovacím prvku dojde k chybě, tak toto chybné rozhodnutí se použije i ve zpětnovazebním filtru a dojde ke zvětšení pravděpodobnosti chyby v několika dalších symbolových periodách. V systémech, které používají DFE se proto chyby vyskytují v krátkých shlucích. DFE i lineární ekvalizery jsou implementovány v přijímačích DSL systémů. U CAP/QAM systémů se ekvalizace provádí odděleně na kvadraturní a soufázové větvy.

Tomlinsonův prekodér

Alternativní cesta k řešení DFE je použití Tomlinsonovo prekodéru který rozděluje ekvalizaci mezi vysílač a přijímač. Zpětnovazební část ekvalizéru je součástí vysílače, zatímco dopředný filtr zůstává nezměněn v přijímací části. To znamená, že Tomlinsonův prekodér produkuje signál s velkou odolností proti ISI (symbolová interference) již ve vysílači. V kombinaci s mřížkovým (trellis) kódováním se dosáhne další 3-6 dB kódový zisk (v závislosti na použitém kódu). Blokový diagram je na obrázku 16.

Obrázek 16: Tomlinsonův prekodér.

Podrobné schéma části prekodéru umístěného ve vysílači je na obrázku 17.

Obrázek 17: Tomlinsonův prekodér (část ve vysílači).

Na rozdíl od DFE, Tomlinsonův prekodér obsahuje modulo operaci. Používá se ve zpětnovazebním obvodu k zajištění stability. Operace modulo v přijímači zajišťuje obnovu signálu na jeho původní složení.

Referenční model ADSL systému

Na obrázku 18 je referenční model ADSL.

PHY – fyzické rozhraní
HPF – horní propust
LPF – dolní propust
PSTN – (Public switched telephone network) tlefonní síť
POTS – (Plain Old Telephone Service) sluby používající hlasové pásmo
Splitter – rozdělovač
ATU-C – (ADSL Transceiver Unit-Central office end) ADSL vysílač/přijímač na straně poskytovatele služby
ATU-R – (ADSL Transceiver Unit-Remote terminal) ADSL vysílač/přijímač na straně uživatele
NT – (Network termination) síťové zakončení

Obrázek 18: Blokové schéma ADSL systému.

V-C a T-R rozhraní jsou definovány pouze logickými funkcemi, ne fyzicky. ATU-C a ATU-R mohou být konfigurovány na STM synchronní přenos nebo na ATM přepravu buněk.

Na obrázku.19 je blokové schéma ATU-C (ADSL Transceiver Unit-Central office). Na obrázku 20 je blokové schéma ATU-R (ADSL Transceiver Unit-Remote terminal). Jednotlivé ADSL bloky jsou popsány v následujících kapitolách.

Obrázek 19: ADSL DMT ATU-C.

Obrázek 20: ADSL DMT ATU-R.

Transportní kapacita

ADSL systém může přenášet až sedm datových kanálů současně (s dodržením celkové max. přenosové rychlost). Tyto datové kanály můžeme rozdělit do dvou skupin:

• čtyři nezávislé zpětné simplexní kanály (jednosměrné od poskytovatele k uživateli)
• tři duplexní kanály

Tři obousměrné kanály mohou být konfigurovány jako nezávislé simplexní kanály, přičemž velikosti datových toků se mohou v obou směrech lišit. V tabulce 2 respektive 3 jsou specifikace přenosových rychlostí podle ANSI respektive ETSI. ADSL datové toky nemusí být založeny na násobcích 32 kbit/s respektive 64 kbit/s, ale mohou být přímo založeny na násobcích 1.544 MHz respektive 2.048 MHz (kanály ASx). Kanály LSx mohou pracovat s datovými toky od 32 kbit/s do 640 kbit/s.

Tabulka 2.

Poznámka: (1) tento tok je takto konfigurován aby vyhověl přenosu ISDN BA (2B+D+záhlaví)
(2) tento kanál je rezervován pro kontrolní účely
Tabulka 3.

Maximální konečná datová transportní kapacita ADSL systému bude záviset na charakteristikách měděného dvoudrátového vedení, na kterém se uskutečňuje přenos. ADSL datový tok se konfiguruje během inicializace a úvodní „tréninkové“ procedury, tak aby vyhovoval požadovanému toku.

Přenosové zpoždění

Jednosměrné zpoždění dat všech kanálů (simplexních i duplexních) od referenčního bodu V-C k referenčnímu bodu T-R pro kanály zpracovávané pomocí rychlého bufferu by nemělo být větší něž 2ms. U dat zpracovaných pomocí prokládaného bufferu by nemělo být větší než (4+(S-1)/4+S x D/4) ms , kde D je hloubka prokládání a S počet DMT symbolů na jedno RS kódové slovo. Stejné požadavky na zpoždění jsou i pro opačný směr přenosu od T-R k V-C.

NTR (Network timing reference

Některé služby požadují aby byl referenční taktovací signál dostupný i ve vyšších protokolových vrstvách (nad základní fyzickou vrstvou). Tento hodinový signál je používán k synchronizaci vysílací a přijímací strany.

ADSL sytém dovoluje přenos 8 kHz časového ukazatele jako NTR. V ATU-C se generuje 8 kHz LTR (local timing reference) signál dělením jeho vzorkovací frekvence (2.208 MHz) 276. Poté se přenáší fázový rozdíl mezi LTR a NTR.

Rámce

Multiplexovaná a synchronizovaná data (zabezpečená cyklickým kódem CRC, kapitola 2.4.5) jsou vkládána do rámců. Tyto rámce jsou generovány frekvencí 4 kHz (rámce přenášeny v 68 z celkových 69 DMT symbolů, s DMT symbolovým kmitočtem 4000 x 69/68 Hz). Každý rámec obsahuje data z rychlého i prokládaného bufferu.

Velikost jednotlivých bufferů (rychlého a prokládaného) záleží na zvolené velikosti datového toku. Struktura rychlého datového bufferu je znázorněna na obrázku 21. Tento buffer by měl minimálně obsahovat Rychlý bajt . Poté následují BF(AS0) bajty kanálu AS0, BF(AS1) bajty kanálu AS1, atd.. AEX je synchronizační bajt pro ASx kanály. LEX je synchronizační byt pro LSx kanály. RF Reed-Solomon FEC dodatečné bajty jso přidány k multiplexovanému datovému rámci a vytvoří se FEC datový rámec s délkou NF bajtů (referenční bod B).

Struktura prokládaného datového bufferu je na obrázku 22. Tento buffer by měl minimálně obsahovat Synchronizační bajt. FEC kodér vezme vždy S datových rámců připojí k nim RI FEC bajty a vytvoří FEC kódové slovo. To se poté rozdělí na FEC datové rámce. Jednotlivé rámce jsou seskupovány a vytváří se multirámec. Každý multirámec se skládá z 68 rámců, číslovaných od 0 do 67, jak je vidět na obrázku 23. Hranice mezi jednotlivými multirámci jsou vyznačeny synchronizačním symbolem který je vkládán modulátorem a neobsahuje žádná uživatelská data. Osm bitů z ADSL multirámce se využívá pro CRC na rychlý datový buffer a 24 bitů je indikačních.

Obrázek 21: Rychlý datový buffer.

Obrázek 22: Prokládaný datový buffer.

Obrázek 23: Multirámec DMT ADSL.

Cyklická chybová kontrola CRC (Cyclic Redundancy Check)

U ADSL DMT systému jsou prováděny dvě cyklické kontroly pro každý multirámec, jedna na rychlém a druhá na prokládaném datovém bufferu. Vygenerované crc kontrolní bity z tohoto multirámce jsou přenášeny v prvním rámci následujícího multirámce. Tyto bity jsou vypočítány z k bitů zprávy pomocí rovnice (9).

kde

D je zpožďovací člen.