Кодирование сигналов в линиях xDsl, рабочие частоты и расстояния

Скоростные хDSL-каналы используют частоты абонентской линии выше четырех килогерц. Для передачи цифровых данных по этим каналам применяются разные методы кодирования и модуляции сигналов. Задача кодирования сигналов в хDSL-каналах – задача достаточно сложная, т.к. одновременно необходимо учитывать несколько противоречивых требований.

Во-первых, чем больше желаемая скорость передачи, тем больше должна быть полоса рабочих частот канала. При высоких частотах сильно возрастает затухание в канале (рис.1), уровень принимаемого сигнала падает, ухудшается отношение сигнал/шум и в результате сокращается дальность передачи. Для уменьшения полосы частот применяется амплитудно-фазовая модуляция(называемая также квадратурной, QAM), при которой в одном тактовом интервале передается одновременно два и более бит данных и за счет чего можно уменьшить требуемую полосу в несколько раз. Пределом уплотнения тактового интервала является минимально-допустимое отношение сигнал/шум.

Далее, хDSL-канал должен быть дуплексным, т.е. состоять из двух подканалов –US и DS. Используются два способа решения этой задачи – частотное разделение каналов и работа в общей частотной полосе с эхокомпенсациейсигналов.

▪ По первому – вся хDSL-полоса частот делится на две непересекающиеся части: одна для организации подканала US и другая – для подканалаDS. Этот способ наиболее

подходит для создания АDSL-каналов, т.к. подканалUS будет занимать лишь сравнительно небольшую часть всей доступной полосы частот (рис.3).

▪ Второй способ заключается в том, что каналы USи DS используют одну и ту же

полосу частот, т.е. полностью пересекаются. Чтобы приемник принимал только сигналы

удаленного передатчика (очень слабые), на входе приемника необходимо подавлять мощные мешающие сигналы своего передатчика. Эта операция называется эхоподавлением и

реализуется с помощью дифференциальной трансформаторной системы (ДС). В дополнение к ДС остаточное эхо компенсируется специальными сигналами, которые вычисляет

сигнальный микропроцессор в режиме реального времени во всем частотном диапазоне (так называемая адаптивная эхокомпенсация). Микропроцессор добавляет к принимаемому сигналу небольшой сигнал (со знаком минус) от своего передатчика так, чтобы

результирующее эхо было равно нулю. Данный способ передачи применяется в симметричных DSL.

Рис. 3. Диапазон рабочих частот некоторых протоколов xDSL

Рассмотрим кратко основные методы кодирования и модуляции сигналов в каналах хDSL (см. табл.1и рис.3).

2B1Q–2Binary, 1Quartenary.Линейный код, в котором каждые два бита передаваемых данных кодируются одной четырехзначной посылкойпостоянного уровня, величина

которого выбирается из значений -3, -1, +3 или +1 соответственно передаваемой комбинации 00, 01, 10 или 11. Амплитудная 4-позиционная модуляция с передачей в одном тактовом интервале двух бит данных. Главный недостаток данного метода кодирования – плохое использование частотной полосы и сильные помехи, наводимые в соседних парахкабеля. Так, для SDSL-передачисо скоростью 2,3 Мбит/с требуется полоса частот в 1,2 МГц. Код 2B1Q применялся в ранних SDSL-системах.

DMT (Discrete Multitone Technology) – дискретная многотоновая технология. Согласно ее весь используемый диапазон частот от нуля до максимальной представляется как

последовательность из 256 или 512 дискретных участков (подканалов, “тонов”)с шириной 4,3125 кГц. Передача ведется одновременно во множестве параллельных подканалов с примененением QAM-модуляции. При этом в одном тактовом интервале передается сразу несколько бит данных. Например, для ADSL (G.dmt) весь диапазон до 1100 кГц разбивается на 256 тонов. Первые 7 тонов не используются и оставлены для работы телефонии (частоты 0-30 кГц). Следующие 25 применяются для передачи данных от абонента (полоса 107 кГц). Далее 8 тонов тоже не используются – они образуют межканальный защитный зазор. Оставшиеся 216 тонов составляют канал для передачи данных к абоненту (полоса 930 кГц).

В зависимости от уровня шума в каждом из подканалов могут использоваться и

динамически выбираться разные уровни QAM-модуляции, что позволяет кодировать разное число бит на тактовый интервал и извлекать из линии максимально возможную при данных условиях пропускную способность.

Технология DMT эффективно использует частотную полосу линии и предоставляет возможность точного планирования границ рабочих частот.

TC-PAM (Trellis Coded Pulse Amplitude Modulation) – импульсная амплитудно-фазовая модуляция с “решетчатым” (trellis) кодированием. Особенность этого кодирования состоит в том, что к каждой кодовой комбинации, передаваемой в тактовом интервале, добавляется один избыточный бит. Благодаря избыточности можно надежнее декодировать принятые данные в условиях высокого уровня шумов. При кодировании TC-PAM16 в одном тактовом интервале передаются одновременно четыре бита данных, а при кодировании TC-PAM32 – пять бит. В симметричных DSL-системах TC-PAM стала основной вместо менее эффективной 2B1Q.

Необходимо отметить, что trellis-кодированиеприменяется и вADSL-системах как альтернативное кодированиюQAM. В этом случае данные можно передаватьпо более протяженным линиямбез снижения скорости.

Во время сеанса хDSL-модем ихDSL-коммутатор стремятся работать на максимальной скорости, насколько это возможно при данном отношении сигнал/шум. При увеличении дальности это отношение уменьшается и скорость соответственно тоже падает. На рис.4 приведены зависимости скорости передачи от длины абонентской линии для разных протоколов. Графики построены исходя из того, что:

1) максимальный допустимый уровень передаваемого сигнала не более 13…16 дБм;

2) минимальный уровень принимаемого сигнала должен быть не ниже -43 дБм;

3) известны верхние значения рабочих частот в линии для каждого протокола (табл.1);

4) известна примерная зависимость коэффициента затухания линии от частоты (рис.1).

Из рис.4 также видно, что с увеличением дальности различие в протоколах стирается.

Можно повысить дальность передачи до 10-15 км, если в абонентском кабеле применить более толстый провод диаметром 0,64 или 0,8 мм. Однако в существующих коммуникациях сделать это уже практически невозможно.

Рис. 4. Зависимость скорости передачи от длины линии и протоколов