1. Технология хDsl

Семейство технологий хDSL позволяет значительно расширить пропускную способность абонентской линии местной телефонной сети путем использования эффективных линейных кодов и адаптивных методов коррекции искажений линии на основе современных достижений микроэлектроники и методов цифровой обработки сигнала. DSL (Digital Subscriber Line) – цифровая абонентская линия, а x обозначает модификацию.

В настоящее время это, пожалуй, самый распространенный способ решения проблемы «последней мили». Среда передачи – существующий медный телефонный кабель, например, ТПП плюс абонентская проводка, или специально проложенная витая пара различной категории (ТПП – это та же витая пара категории от 3-й до 4-й в зависимости от повива). В первом случае используется существующая телефонная сеть. Преимущества технологии хDSL следующие:

использование существующей абонентской линии, отсутствие затрат на прокладку кабельной сети;

по абонентской линии можно передавать различный трафик (объем информации): проводной обычный телефон, Интернет, интерактивное телевидение и др.;

технология занимает промежуточное положение между аналоговыми линиями (телефон) и чисто цифровыми, пригодными для передачи информации только в цифровом виде (технология ISDN). Однако некоторые модификации технологии xDSL уже исключают использование аналогового телефона;

высокая скорость передачи – более 50 Мбит/с, именно это делает возможной телевизионную передачу;

возможность одновременно цифровой передачи и работы обычного аналогового телефона.

Теперь перейдем к сути технологии. Известно, что каждый сигнал имеет свою полосу частот. Аналоговый телефон работает в полосе 300 – 3400 Гц. Аналоговый модем в этой же полосе благодаря особой структуре линейного сигнала имеет информационную скорость до 56 кбит/с.

Сигнал xDSL использует полосу выше спектра аналогового. Принято разделять нисходящий цифровой поток, от станции до абонента, и восходящий – от абонента до станции. Скорости передачи сигнала в этих потоках в общем случае различны (асимметричная линия) и различны полосы частот соответствующих сигналов. Это объясняется тем, что от станции к абоненту идет поток контролирующих, управляющих и служебных сигналов (рис. 1.1), что и требует большей скорости.

Рис. 1.1. Спектры сигналов в линии при асимметричной xDSL

На рис. 1.1 видно, что полоса частот нисходящего потока больше, что и обеспечивает большую скорость передачи. При симметричной системе (симметричная линия) полосы одинаковы, одинаковы и скорости потоков.

Существует понятие эхо-компенсации. Передаваемый сигнал не может попасть на вход приемника в месте передачи. Суть метода заключается в том, что данные о передаваемом собственном сигнале могут использоваться для фильтрации принимаемого сигнала от эхо-помехи. Отраженные от неоднородностей линии передаваемые сигналы претерпевают значительные изменения по задержке, амплитуде и фазе.

В процессе приема эхо-компенсатор вычитает из принимаемого входного сигнала свой собственный выходной, скорректированный в соответствии с параметрами. Один из вариантов аналогового эхо-компенсатора (рис. 1.2) состоит из линии задержки (ЛЗ) с отводами, на которых создаются копии эхо и усилителей-корректоров, способных изменять полную характеристику передачи (амплитудную и фазовую). Дифференциальная система обеспечивает переход четырехпроводной линии в двухпроводную.

Если в аппаратуре применена эхо-компенсация, то возможна работа приемника и передатчика в одной полосе частот и спектры восходящего и нисходящего потоков совпадают. Спектральные характеристики в линии для этого случая показаны на рис. 1.3.

Рис. 1.2. Схема реализации эхо-компенсатора

Рис. 1.3. Спектры сигналов в линии при асимметричной xDSL

с эхо-компенсацией

Включение абонентского оборудования может быть выполнено исходя из свойств спектров по схеме, приведенной на рис. 1.4.

Модем обрабатывает цифровые сигналы и обеспечивает различный трафик (например, Интернет и телевизионное вещание).

Существуют следующие модификации технологии хDSL.

HDSL – симметричная цифровая линия. Нисходящие и восходящие потоки имеют одинаковую скорость  1,544 или 2,048 Мбит/с и разнесены по разным кабельным парам. Обычно используются две или три кабельных пары. Длина участка без регенераторов зависит от диаметра жил и равна 3,5 – 4,5 км. При большей длине необходимо восстановить уровень ослабленного сигнала, для чего и применяют регенератор.

Рис. 1.4. Схема включения абонентского оборудования xDSL

(ФВЧ и ФНЧ  фильтры высокой и низкой частоты)

Модификация HDSL находит применение при организации абонентского выноса АТС, для связи цифровых и аналоговых АТС, при объединении локальных сетей. Подробные сведения об использовании данной технологии можно найти в работе [1].

ADSL – асимметричная цифровая линия. Нисходящий поток имеет скорость 1,5 – 8 Мбит/c, восходящий – 0,64 – 1,5. Дальность связи по витой паре третьей категории составляет 5,5 км.

R-ADSL – адаптированная ADSL. Цифровая передача требует синхронизации приемника и передатчика. Эта операция выполняется в начале сеанса связи. В этот же период оценивается состояние витой пары по затуханию. Чем больше длина витой пары, тем больше ее затухание, и для сохранения качества связи требуется увеличить энергию сигнала. Для этого увеличивают его длительность, но при этом уменьшается скорость передачи. Вот в этом и заключается адаптация (приспособление) канала связи, т. е. чем длиннее линия связи, тем меньше скорость передачи информации.

IDSL – цифровая линия со скоростью 144 кбит/с. По такой линии можно передавать только данные.

VDSL – сверхвысокоскоростная линия. Нисходящий поток – 13 – 52 Мбит/c, восходящий – 1,5 – 2,3. По данной технологии возможна телевизионная передача по витой паре, при этом перекрывается расстояние 300  1300 м. Пример применения технологии VDSL приведен на рис. 1.5.

Перечислены не все имеющиеся технологии xDSL, Далее остановимся на модификации ADSL, которая уже пришла в нашу жизнь.

Рис. 1.5. Схема применения технологии VDSL

Помехоустойчивость ADSL характеризуется вероятностью ошибки Р_ош ≤ 10^7 (BER – битовые ошибки). Рассмотрим суть кодирования.

Общеизвестны методы борьбы с ошибками  коды Хэмминга, коды с проверкой на четность. Последние можно применить к массиву передаваемых слов, которые собирают в матрицу, состоящую из строк и столбцов. В синх-ронных каналах чаще используется вычисление и передача битов четности как для строк, так и для столбцов передаваемого массива данных. Такая схема позволяет не только регистрировать, но и исправлять ошибки в одном из битов переданного блока и эффективна при независимых ошибках (интерактивное кодирование).

При возникновении зависимых ошибок в кластерах битов метод контроля четности неэффективен, и тогда предпочтительнее метод вычисления циклических сумм (CRC  Cyclic Redundancy Check). В этом методе передаваемый кадр делится на специально подобранный образующий полином. Дополнение остатка от деления и является контрольной суммой. Образующие полиномы стандартизованы (циклический код).

Для исправления ошибок в слове применяется метод FEC (Forward Error Correction). Этот метод получил название канального кодирования. Существуют две основные разновидности FEC: блочное кодирование и кодирование по методу свертки. Блочное кодирование работает с блоками (пакетами) битов или символов фиксированного размера.

В FEC так же, как и в других методах коррекции ошибок (коды Хэмминга, алгоритм Рида  Соломона и др.), блоки данных из n битов снабжаются кодами четности, которые пересылаются вместе с данными и обеспечивают не только обнаружение, но и исправление ошибок. Каждый дополнительный (избыточный) бит является сложной функцией многих исходных информаци-онных битов. Исходная информация может содержаться в выходном передаваемом коде (такой код называется систематическим), а может и не содержаться. В результате через канал передается n-битовое кодовое слово (n > k), где k – информационные разряды. Конкретная реализация алгоритма FEC характеризуется комбинацией (n, k).

Разберем принципы блочного кодирования. Входная информация разделяется на блоки. Допустим, блок имеет k символов. При кодировании он представляется n символами, причем n > k. Чем меньше отношение k/n, тем выше помехоустойчивость кода. Структура блочного кодера (5, 4) показана на рис. 1.6.

Входной блок это регистр памяти на четыре бита, а выходной  такой же регистр на пять битов (канальный блок). Заполнение канального блока идет через сумматоры по модулю 2 информационными разрядами. Поскольку n > k, в код вносится избыточность и чем больше это неравенство, тем больше помехоустойчивость. Если построить блочный кодер (9, 8) (рис. 1.7), то в нем осуществляется обычная проверка на четность [2].

Теперь представим себе, что имеется несколько входных блоков. Соберем их в матрицу и введем контрольный бит для каждой строки и каждого столбца, что позволит определить место ошибки в матрице по пересечению столбца и строки. Таким образом, можно не только обнаружить ошибку, но и исправить ее. Это интерактивный код.

Метод свертки работает с потоками битов или символов произвольной протяженности. Коды свертки при желании могут быть преобразованы в блочные коды.

Для FEC-кодирования иногда применяется метод сверки, который впервые был предложен в 1955 г. Главной особенностью названного метода является существенная зависимость кодирования от предыдущих информационных битов и высокие требования к объему памяти. FEC-код обычно применяется при декодировании 2  8, десятков или даже сотен битов, полученных ранее.

Сравнение вариантов по вероятности ошибки Р₀ при обычной передаче данных через канал и при передаче тех же данных с использованием коррекции ошибок FEC для разных значений отношения «сигнал/шум» (S/N) приводится на рис. 1.8 [3]. Из анализа данных на рис. 1.8 видно, что при отношении S/N = 8 дБ применение FEC позволяет понизить Р₀ примерно в 100 раз. При этом достигается результат, близкий (в пределах одного децибела) к теоретическому пределу Шеннона.

Принцип сверточного кодирования заключается в следующем. Имеется последовательность K входных слов. В каждом слове  k битов. По этим данным формируется выходная последовательность n битов. Каждый бит выходной последовательности получается как сумма по модулю 2 нескольких битов.

В последовательности символов всего k × K битов и параметрами кода служат три числа  k, K, n (обозначение кода  (n, k, K)). Вводятся следующие параметры: k/n – скорость кодирования; K – длина ограничения. Далее приведем пример создания сверточного кода (4, 2, 5) (рис. 1.9).

Рис. 1.9. Схема формирования сверточного кода

Метод FEC объединяет несколько принципов помехоустойчивого (канального) кодирования. Большая сигнальная избыточность, заложенная в методах кодирования FEC, позволяет передавать цифровые данные с высокой достоверностью без канала обратной связи. Это существенно снижает стоимость аппаратуры ADSL.

Модуляция в xDSL – это метод представления сигнала для передачи его по физической линии. Модулятор, демодулятор (модем) и линия связи (медная пара проводов) составляют линейный тракт (линейный канал). Естественно, что сигнал в этом тракте должен учитывать характеристики кабеля, а именно: ослабление сигнала; нелинейность частотной характеристики; перекрестные наводки от соседних линий (переходные затухания на ближних и дальних концах); групповое время задержки.

С другой стороны, необходимо достичь высокой пропускной способности канала. В системе xDSL применяют многопозиционные сигналы. В первых модификациях xDSL это система 2B1Q (2 Binary 1 Quandary) [1]. Строго говоря, это не совсем модулированные сигналы, но они линейны и используются в качестве протокола физического уровня HDSL.

Алгоритм 2B1Q представляет собой один из вариантов реализации амплитудно-импульсной модуляции с четырьмя уровнями выходного напряжения без возвращения к нулевому уровню (NRZ).

Один сигнал несет информацию о двух битах, значений сигналов  четыре, и отличаются они друг от друга напряжением (табл. 1.1).

Таблица 1.1

Принципы 2B1Q

Кодовая группа	Кодовый символ	Кодовое напряжение, В
00 01 10 11	3 1 +3 +1	2,5 0,833 2,5 0,833

Таким образом, закодированный в соответствии с правилами 2B1Q-сигнал представляет собой последовательность скачкообразно изменяющихся напряжений с четырьмя возможными уровнями. Для формирования линейного кода входной информационный поток делится на кодовые группы по два бита в каждой. В зависимости от комбинации значений битов кодовой группы ей в соответствие ставится один из четырех кодовых символов, каждому из которых, в свою очередь, соответствует один из уровней напряжения, а вид сигнала показан на рис. 1.10.

Рис. 1.10. Вид сигнала 2B1Q

Недостатки такой модуляции следующие:

максимум энергии находится в первом «лепестке» спектра, и ширина его пропорциональна скорости передачи сигналов (не путать с информационной скоростью!);

основная доля спектра расположена в низкочастотной области. Это не позволяет передавать по линии сигналы обычного, аналогового телефона, их работа несовместима;

электромагнитные помехи индустриального характера (трамвай, метро, электросварка, электротяга поездов и т. д.) имеют спектр в этой же области частот и влияют на качество передачи информации.

Спектр сигнала достаточно высокочастотный и содержит постоянную составляющую (рис. 1.11).

Рис. 1.11. Спектры линейных сигналов

Поэтому 2B1Q постепенно вытесняется технологией CAP (амплитудно- фазовая без передачи несущей).

Несущая частота модулируется по амплитуде и фазе, создавая пространство с 64 (CAP-64) или со 128 (CAP-128) состояниями. При этом сама несущая, не передающая информацию, «вырезается» из сигнала, а на приеме восстанавливается приемником. Сигнал CAP-64 передает 6 битов информации, а CAP-128  7, что гораздо больше, чем передает сигнал системы 2B1Q. Это увеличивает пропускную способность канала при той же сигнальной скорости. Спектр сигнала CAP-64 (см. рис. 1.11) более узок и позволяет работать аналоговому телефону.

На рис. 1.12 приведена сигнальная «звезда».

Вектор к каждой сигнальной точке имеет свои амплитуду и фазу. Расстояние между концами векторов гораздо меньше, чем при классической фазовой или даже амплитудной модуляции. В векторном анализе это называется нормой разности. Чем она меньше, тем хуже приемник различает сигналы в присутствии помех. Таким образом, помехоустойчивость системы (см. рис. 1.12) CAP уменьшается и компенсировать этот недостаток можно помехоустойчивым (канальным) кодированием.

В технологиях ADSL, VDSL используется модуляция DMT (Discrete Multi Tone).

Данный алгоритм модуляции использует не одну частоту, а группу несущих частот, при этом весь расчетный диапазон частот линии делится на несколько участков шириной по 4,3125 кГц. Каждый из этих участков используется для организации независимого канала передачи данных. Пример частотной организации нисходящего потока стандарта G.DMT для варианта с подавлением эхо-сигналов представлен на рис. 1.13 (общая полоса частот для нисходящего и восходящего потоков), где S() – спектральная плотность сигнала.

Рис. 1.13. Организация каналов нисходящего потока DMT

Для варианта, приведенного на рис. 1.13, в направлении абонента организуется 249 частотных каналов. Кроме того, для этого варианта характерно перекрытие частотных диапазонов, которые используются для входящего и исходящего информационных потоков. Пример частотной организации восходящего потока G.DMT (число каналов  25) представлен на рис. 1.14.

На этапе проверки качества линии передатчик исходя из уровня помех в частотном диапазоне участка для каждого из каналов выбирает подходящую модуляционную схему. На «чистых» каналах с малым уровнем шумов могут быть использованы алгоритмы менее помехоустойчивые, например QAM-64, в то время как на более зашумленных участках могут применяться более простые алгоритмы модуляции, но более помехоустойчивые, например QPSK.