Реферат: Технология ADSL

·     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 системы

На 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 ½ 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 = ½(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 – Хартли

В 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.

 Затухание

На 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, …).

 Отражения

Отражения в кабеле могут возникнуть в следствии рассогласования приемопередатчика и изменения диаметра кабеля.

 Шум и интерференция

Здесь оговариваются наиболее важные источники шума и интерференции, которые оказывают влияние на медную витую пару.

 Белый шум

Белый 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 помехи

Переходные 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 помехи

Помимо 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 интерференция

Сеть 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 шум

Данное 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 каналов

При 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 компенсация

Данный 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 модуляция

Для 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

 Амплитудно-фазовая модуляция с подавлением несущей

САР 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.

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9