ADSL - 1. část

ADSL, oddělení přenosových kanálů, frekvenční dělení FDM, digitální potlačení ozvěny EC, používaná modulační schémata.

ADSL (podle ITU ITU-T G.992.1 se ADSL s DMT modulací označuje jako G.dmt ADSL) je metoda digitálního datového přenosu většími přenosovými rychlostmi po již existujících měděných symetrických párech instalovaných v přístupové síti. ADSL rozšiřuje použití přenosového kanálu ve směru k účastníkovi (downstream – „zpětný kanál“) na 6 až 9 Mbit/s. Pomalý (upstream – „dopředný“) kanál směrem od účastníka přenáší data rychlostí až 1 Mbit/s. Toho se dosahuje bez narušení telefonního provozu na již instalovaném účastnickém vedení. Koncové zařízení ADSL (transceiver, tj. vysílač a přijímač) je nutné instalovat na obou stranách účastnického měděného vedení přes rozdělovače (splitters), které rozdělí v obou směrech přenosu přenášené pásmo na pásmo telefonního (nebo ISDN) kanálu a pásma s vyšší přenosovou rychlostí.

ADSL podporuje přenos násobky rychlostí 2,048 Mbit/s E1 pro Evropu respektive 1,544 Mbit/s T1 pro USA. Maximální dosažitelné vzdálenosti jsou v tabulce 1.

Tabulka 1

ADSL transcievery mohou používat jednu z následujících modulací:

• kvadraturní amplitudovou modulaci QAM (Quadrature amplitude modulation)
• amplitudovou/fázovou modulaci bez nosné CAP (Carrieless amplitude phase modulation)
• diskrétní vícetónovou modulaci DMT (Discrete multitone)

Druh použité modulace závisí na výrobci ADSL koncového zařízení. CAP a QAM modulace se používají v USA. DMT a CAP/QAM systémy nejsou navzájem kompatibilní. Využívané frekvenční pásmo je do 1,1 MHz.

Oddělení přenosových kanálů

Při přenosu ADSL se uskutečňují oba směry přenosu po jednom dvoudrátovém symetrickém vedení. Pro vytvoření nezávislých Informačních kanálů se v modemech ADSL používá jeden ze dvou způsobů – frekvenční dělení FDM (Frequency Division Multiplexing) nebo tzv. metoda digitálního potlačení ozvěny EC (Echo Cancellation).

Frekvenční dělení FDM

FDM se využívalo hlavně u dřívějších systémů ADSL. Princip je naznačen na obrázku 1. Řídící kanál s malou přenosovou rychlostí zabírá obyčejně kmitočtový rozsah přímo nad hovorovým pásmem, zatímco přenos s velkou přenosovou rychlostí se nachází v pásmu vyšších kmitočtů. Celkový pracovní rozsah kmitočtů pro ADSL je obvykle limitován okolo 1MHz. Kanály se při tom vyznačují plochým spektrálním rozdělením.

Výhoda FDM spočívá v jeho jednoduché implementaci do systému. K oddělení dopředného a zpětného kanálu stačí pouze filtry. FDM eliminuje vlastní NEXT (přeslech na blízkém konci). V porovnání s EC je systém s FDM méně nákladnější. Nevýhoda FDM je méně dokonalé využívání frekvenčních pásem.

Obrázek 1: FDM dělení přenosového kanálu.

Digitální potlačení ozvěny EC

Pro ADSL je výhodné umožnit překrývání kanálu s vyšší přenosovou rychlostí s pomalejším dopředným kanálem (viz obrázek 2), aby se využilo výhod nižšího útlumu kabelu na nižších kmitočtech. To lze dosáhnout použitím principu asymetrického potlačení ozvěny, který omezuje rušení mezi oběma kanály. Blokové schéma EC je na obrázku 3. Asymetrické potlačení ozvěny je zvláště vhodné pro koncová zařízení ADSL s diskrétní vícetónovou modulací DMT (pod pojmem tóny se rozumí nosné kmitočty v kmitočtovém rozsahu do cca 1,1 MHz). Určitá složitost při použití potlačení ozvěny se kompenzuje zvýšením výkonu o 2 dB.

Obrázek 2: EC dělení přenosového kanálu.

Obrázek 3: Princip potlačení ozvěny EC.

Potlačení ozvěny přenáší část problémů filtrování z analogové do digitální oblasti, což je výhodnější pro integraci v technologii VLSI. Výhody potlačení ozvěny se projeví pokud se rozšíří šířka pásma dopředného kanálu, např. na 384 kbit/s. V takových případech by při použití frekvenčního dělení FDM bylo nutné, aby se pro přenos s vyšší přenosovou rychlostí použili vyšší kmitočty, co by vedlo k zvýšení útlumu, a tím snížení dosahu. Je nutné ovšem zdůraznit, že přesahování obou kanálů ADSL při použití oddělení na principu EC může způsobit vznik vlastního přeslechu NEXT, který se nevyskytuje při FDM. To může být kritičtější při masovém nasazení zařízení ADSL na jednom kabelu , kde se zvyšuje možnost přeslechu od ostatních zařízení ADSL.

Používaná modulační schémata

Kvadraturní amplitudová modulace QAM (Quadrature amplitude modulation)

Modulace QAM představuje běžně používanou a propracovanou modulační techniku, používanou ve velké míře v modemech pracujících v hovorovém pásmu a v mikrovlnných radiových systémech. Přicházející data jsou nejprve rozdělena do dvou toků s poloviční přenosovou rychlostí a potom modulována na dvojici ortogonálně vzájemně posunutých nosných (obrázek 4).

Obrázek 4: Blokové schéma QAM modulace.

Modulaci QAM si lze představit jako dvourozměrnou PAM (Pulsně amplitudová modulace), kde každá z jednotlivých nosných (vzájemně posunuté o 90?) je modulována jednorozměrnou PAM. QAM symbol může být popsán jako dvourozměrné uspořádání signálových bodů, kde rozsah v každé dimenzi závisí na počtu úrovní signálu jednodimenzionální PAM.

Na obrázku 5 je 16, 64 a 256-ti stavové QAM uspořádání (znázorněn je vždy první kvadrant) . Například u 16-ti bodové QAM je možné přenášet 4 bity pomocí jednoho symbolu (dva bity v každé dimenzi). Zvýšení počtu bodů signálového uspořádání má stejný efekt jako zvýšení počtu signálových úrovní u jednodimenzionální PAM modulace. Proto je nutné udělat kompromis mezi používanou šířkou pásma a nezbytným odstupem signál/šum, aby se spolehlivě přeneslo zvolené uspořádání. Pravoúhlé uspořádání 16-QAM vyžaduje velikost SNR (odstup signál/šum) 21,5 dB, 64-QAM vyžaduje 27,5 dB aby bylo dosaženo BER 10-7. Tento rozdíl ukazuje, potřebu zvýšeného odstupu signál/šum přibližně o 3 dB pro přenos přídavného bitu na symbol (viz výše rozdíl 6 dB mezi 16-QAM a 64-QAM).

Velikost symbolového toku u QAM systémů určuje šířku pásma přenášeného signálu. To je určitou nevýhodu QAM systémů. Přizpůsobení rychlosti přenášeného datového toku (aby neúměrně nevzrostla složitost systému) je možné změnou počtu stavů QAM modulace signálu. To ale dovoluje pouze několik extrémně velkých skoků a tudíž nepostačuje pro plné využití kapacity přenosového média. Další možnost pro přizpůsobení velikosti přenášeného datového toku je změna symbolové rychlosti. To ale vyžaduje následné přizpůsobení nosné frekvence (nutné pro dosažení optimálního přenosového pásma) a způsobuje zvýšení složitosti QAM systémů.

Demodulace se provádí buď pomocí dvojice Hilbertových filtrů nebo pomocí inverzního postupu oproti modulaci.

Obrázek 5: 16, 64 a 256-ti bodové QAM uspořádání.

Amplitudová/fázová modulace bez nosné CAP (Carrieless amplitude phase modulation)

CAP je forma QAM modulace, která je vhodná pro plně digitální implementaci. Modulace CAP používá stejné dvourozměrné přenosové schéma jako QAM, má stejný typ spektrálního tvarování jako QAM a může být proto s QAM kompatibilní. Schéma CAP je na obrázku 6. Modulace je zde prováděna pomocí dvojice Hilbertových filtrů (soufázový I a kvadraturní Q). Amplitudová odezva těchto filtrů je totožná, ale fázová odezva je mezi nimi o 90° posunuta.

Impulsová odezva I filtru je definovaná:

odezva Q filtru:

kde

f_c je střední frekvence spektra zpětného CAP signálu a je rovna nosné frekvenci v odpovídajícím QAM vysílači.

Obrázek 6: Blokové schéma QAM modulace.

Impulsové odezvy I a Q filtru jsou na obrázku 7.

Obrázek 7: Impulsová odezva I a Q filtru.

Vysílaný signál CAP může být definován jako:

kde I_n a Q_n nabývají hodnot ±1, ±3, ±5, … nezávisle na sobě.

Odpovídající vysílaný QAM signál je definován jako:

Diskrétní vícetónová modulace DMT (Discrete multitone)

Základní rozdíl mezi QAM a CAP na jedné straně a DMT na straně druhé spočívá v tom, že první dva druhy modulace používají pro celé přenášené pásmo jeden nosný kmitočet, zatímco DMT používá více nosných kmitočtů (v názvu nazývaných tónů). Někdy se tato modulace proto také nazývá Multicarrier Modulation (tzn. Modulace s více nosnými kmitočty).

Obrázek 8: ADSL DMT (8Mbit/s) + Telef. hovor.

Obrázek 9: ADSL DMT (8Mbit/s) + Telef. pásmo + ISDN pásmo.

Obrázek 10: Lite ADSL DMT(2Mbit/s) + Telef. pásmo.

Obrázek 11: Blokové schéma DMT modulace.

Základní blokové schéma DMT modulace je na obrázku 11. Příchozí sériová data jsou převedena na paralelní a jsou seskupeny do bloků (N je délka bloku v bajtech a rovná se délce symbolu). Bity v bloku jsou potom rozděleny do sub-bloků a ty jsou přenášeny sub-kanály (kanály na jednotlivých nosných). Počet bitů v sub-bloku není pevně dán, ale stanovuje se během inicializace a záleží na vlastnostech dvoudrátového vedení, na požadované velikosti datovém toku, vysílaného výkonu a na BER (přípustná BER je stanovena u ADSL na 10-7). Přenosový kanál je tedy ve frekvenční oblasti rozdělen do velkého počtu sub-kanálů. Pro přenosovou rychlost 8 Mbit/s se používá frekvenční pásmo 0 – 1,1 MHz, které se rozděluje do 256 nosných, se šířkou 4312,5 Hz (obrázek 8 a 9). Pro nižší přenosové rychlosti (do cca 2 Mbit/s) se volí frekvenční pásmo menší, 552 kHz, které se rozděluje do 128 nosných (označováno jako „Lite“, obrázek 10). V každém kanále probíhá kvadraturní modulace QAM, při níž se vytváří určité „QAM uspořádání“ pro kanál (nosný kmitočet). Například při počtu 2 bitů na kanál je uspořádání QAM čtyřstavové (4-QAM), při 4 bitech na kanál vzniká uspořádání 16-ti stavové atd., až při maximálním počtu bitů na kanál rovném 15 může mít uspořádání 32768 stavů (v praxi se používá maximálně 12 bitů). Vysílač DMT moduluje data vytvářením tónových shluků, sdružuje je a vysílá na vedení jako symboly DMT. Každý kanál u DMT může mít jiné uspořádání (tj. i různý počet bitů).

V paralelně sériovém převodníku (viz obrázek 11) se paralelní data (2N hodnot) převedou na sériový tok bitů a je přidán tzv. Cyklický prefix (CP). Funkce CP je ukázána na obrázku. Poslední vzorky z bloku jsou zkopírovány na jeho začátek. CP vytváří oddělovač mezi jednotlivými sousedními symboly a snižuje interferenci mezi jednotlivými symboly. Tím že vytváří pseudoperiodický signál také snižuje interferenci mezi jednotlivými sub-kanály. CP také zabezpečuje synchronizaci. U ADSL systémů se používá délka 8, 32 nebo 40 vzorků. V přijímači je CP odstraněn.

Obrázek 12: Cyklický prefix.

V DMT systémech je modulace realizována pomocí 2N-bodové IFFT (inverzní rychlá Fourierova transformace). Toto uspořádání je dáno skutečností že jednotlivá data jsou připsána sub-symbolům. Ty jsou ve frekvenční oblasti reprezentovány uspořádáním bodů v paralelních nezávislých sub-kanálech. Proto abychom nemuseli používat série filtrů a modulátorů (pro každý sub-kanál), které jsou nutné pro klasické modulace s více nosnými vytvářející signál v časové oblasti, DMT přenášený signál je tvořen ve frekvenční oblasti. Proto se používá ve vysílači inverzní Fourierova transformace, která transformuje signál z frekvenční oblasti do časové oblasti. Pomocí IFFT je předeno N komplexních hodnot na 2N reálných hodnot. Na vstupu IFTT ale musí signál splňovat podmínky Hermitianovy symetrie (viz rovnice 6).

Hermitianovo pole X hodnot je převedeno na reálné hodnoty Y (tím dostaneme 2N hodnot po IFFT) podle následujících rovnic:

V přijímači je 2N reálných hodnot demodulováno pomocí 2N-bodové FFT, která přetransformuje signál z časové do frekvenční oblasti. Převodem do frekvenční oblasti se oddělí N nezávislých paralelních sub-kanálů, jejichž obsah může být dále zpracován odděleně.

DMT systémy na straně přijímače také vyžadují ekvalizaci (úpravu) signálu, ale ne tak komplexní jako pásmové systémy (CAP nebo QAM). Používají se zde dva druhy: ekvalizace v časové oblasti TEQ (Time domain equaliser) a ekvalizace ve frekvenční oblasti FEQ (Frequency domain equaliser).

Úkolem TEQ ekvalizéru je zkrátit impulsovou odezvu kanálu na délku (stejnou nebo kratší) jednoho cyklického prefixu (podrobněji v kapitole 2.3 Ekvalizace signálu v časové oblasti).

Ekvalizér FEQ ve frekvenční oblasti se používá ke korekci amplitudy a fáze signálu v jednotlivých sub-kanálech (viz obrázek 13). Toho se dociluje násobením signálu komplexním číslem, které se stanoví během inicializace.

Obrázek 13: Efekt ekvalizace.

A/D a D/A převodníky musí být velmi přesné (hlavně u ADSL 256) a musí mít velký dynamický rozsah. Analogový filtr (dolní propust) je zde používán pro potlačení vyšších harmonických frekvencí přenášeného signálu, které vznikají při digitálním zpracování.