Phương pháp điều chế discrete- Multi-tone trong kỹ thuật ADSL-DMT-

CHƯƠNG IV PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHẾ DISCRETE- MULTI-TONE TRONG KỸ THUẬT ADSL -DMT- A.\Hệ thống DMT: Phương pháp điều chế DMT là phương pháp phổ biến trong việc điều chế đa sóng mang MCM -MultiCarrier Modulation”-.Phương pháp này lần đầu tiên được giới thiệu bởi Peled và Ruiz của tập đoàn ty máy tính IBM vào năm1980,phương pháp này lợi dụng những ưu điểm của xử lý tín hiệu số-“digital signal processor” và thuật toán biến đổi Fourier nhanh-FFT,Fast Fourier Transform-.Và ý tưởng sử dụng DMT trong ADSL lần đầu tiên được đề xuất bởi Jhon M.Cioffi năm 1991.Đến tháng ba năm 1993,hệ thống DTM được ANSI chọn làm tiêu chuẩn.Phần cơ bản cấu thành nên phương pháp DMT là phần điều chế QAM. Nguyên lý cơ bản của phương pháp MCM như sau: một khối gồm m bit được đưa qua một bộ chuyển đổi nối tiếp sang song song,tại đây m bit được tách ra thành từng nhóm các bit nhỏ và truyền các nhóm bit này đến đến bộ điều chế.Tại đây các nhóm bit này sẽ được điều chế với các tần số khác nhau.Bộ phát sẽ tổng hợp các dạng sóng độc lập nhau và truyền chúng đi;thiết bị nhận sẽ tách các các dạng sóng này bằng bộ lọc ứng với các tần số đã được dùng ở bộ phát.Điểm khác biệt giữa DMT và MCM là phương pháp DMT sử dụng thuật toán FFT và IFFT-Inverse Fast Fourier Transform- để xử lý các điểm QAM,trong khi đó nguyên lý cơ bản của MCM thì tổng hợp các dạng sóng tại bộ phát và tách rời chúng ra tại bộ thu. Nguyên lý bộ phát MCM (Hình 4.1) ØKhối điều chế DMT:Như đã biết,một hệ thống DMT sẽ chia kênh truyền đi thành nhiều kênh phụ có băng thông bằng nhau.Mỗi kênh phụ này sẽ nhận một số lượng bit và sẽ mã hoá các bit này bằng cách sử dụng bộ mã QAM-“QAM encoder”-. (Hình 4.2) Mô tả về các kênh phụ trong DMT Khi một chuỗi dữ liệu là tín hiệu số đưa vào sẽ được đệm-“bufferred”-thành nhiều khối b bit;mỗi khối gồm b bit này được xem là bi (i=1, .. ,N) sẽ được đưa vào kênh phụ thứ i.Do vậy: b= Sau đó khối b bit thứ i sẽ được mã hoá thành một số phức Xi,số phức này được gọi là biểu tượng phụ-“subsymbol”-.Phần thực và phần ảo của biểu tượng phụ này tượng trưng cho giá trị trên trục X và trục Y của một điểm QAM.Các số phức liên hợp của N biểu tượng phụ sẽ được đưa thêm vào khối IFFT đã có sẵn N số phức của N biểu tượng phụ trước đó.Kết quả là trong khối IFFT có 2N số phức.Khối IFFT này sẽ chuyển 2N số phức mới thành 2N mẫu xi có giá trị trong miền thời gian-“2N real-value time domain samples xi”-.Số lượng 2N mẫu này lần lượt đưa vào bộ chuyển đổi số sang tương tự –DAC,Digital to Analog Converter-.Tín hiệu ra từ bộ chuyển đổi DAC là các dạng sóng x(t) đã được điều chế,liên tục theo thời gian và được gọi là biểu tượng DMT. (Hình 4.3) Nguyên lý bộ phát DMT (Hình 4.4) Sơ đồ khối phía thu và phát DMT ØKhối giải điều chế DMT: phần chủ yếu của khối giải điều chế DMT chính là quá trình chuyển đổi 512 điểm của 2N số thực bằng thuật toán FFT.Khi quá trình này được thực hiện,chỉ có 256 số phức đưa ra sau cùng từ khối FFT sẽ được giữ lại.256 số phức đưa ra đầu tiên là các số phức liên hợp của 256 số phức sau cùng,các số phức liên hợp đầu tiên này sẽ được loại bỏ.Công thức của thuật toán chuyển đổi Fourier nhanh được sử dụng là: Z’=xe với k=0,1,…,511 256 số phức giữ lại sẽ được giải mã lần lượt bằng cách sử dụng bộ giải mã bảng đồ chòm sao QAMõ-“QAM constellation decoder”- . B.\Điều chế DMT trong ADSL: Các mạng điện thoại truyền thống sử dụng một khoảng băng thông cơ bản và hẹp là 4kHz của phổ tần số của đường dây điện thoại để truyền tín hiệu thoại,fax…(tín hiệu tương tự).Điều này có một hạn chế là khi dùng các phương pháp điều chế tiến bộ hơn,phức tạp hơn thì các modem chỉ đạt tốc độ truyền tải dữ liệu tối đa là 56kbps.Để đạt được tốc truyền lớn hơn,lên đến 8Mbps(hoặc 9Mbps) thì kỹ thuật ADSL tăng độ rộng tần số được sử dụng trong điều chế từ 4kHz lên 1.104MHz .Việc làm này cho phép ADSL truyền đồng thời cả hai chiều dữ liệu(dữ liệu tải lên và dữ liệu tải xuống) với tín hiệu của điện thoại(dữ liệu thoại).Phương pháp điều chế này dùng trong kỹ thuật ADSL có tên là Discrete MultiTone-DMT,điều chế đa kênh rời rạc-,đây là một kỹ thuật đa sóng mang-multicarrier technique-.Phương pháp này được được viện tiêu chuẩn quốc gia Mỹ-ANSI- xem là tiêu chuẩn T1.413 và đối với liên đoàn viễn thông quốc tế ITU là tiêu chuẩn G.DMT hay G992.1.Ý tưởng chính của phương pháp này là chia phổ tần số của kỹ thuật ADSL thành nhiều kênh phụ-subchanel ,tone-độc lập;sau đó phương pháp điều chế QAM sẽ đưa-“allocate”- dữ liệu cần truyền vào từng kênh phụ,rồi truyền các kênh phụ đó đi.Trong các kênh được chia sẽ có nhưng kênh phụ không mang được dữ liệu do bị nhiễu hoặc bị các ảnh hưởng gây suy hao,thì phương pháp DMT sẽ không đưa dữ liệu vào những kênh đó .Nói cách khác,kỹ thuật này tăng tốc độ truyền tải bằng cách gửi một số lượng bit khác nhau vào các kênh phụ khác nhau,phụ thuộc vào tỉ lệ nhiễu trên tín hiệu SNR của từng kênh do bên thu xác định,khái niệm này là khả năng thích ứng với tốc độ-“Rate Adaptive”-.DMT chia phổ tần số từ 0kHz đến 1.1MHz thành 3 phần:khoảng từ 4kHz trở xuống dành cho tín hiệu thoại,khoảng tần số từ 25kHz đến 138kHz dùng cho các kênh của dữ liệu tải lên và khoảng tần số còn lại từ 160kHz đến 1.1MHz dùng cho các kênh của dữ liệu tải xuống.Phương pháp điều chế DMT được chọn trong ADSL vì được xem là có các ưu điểm kỹ thuật tốt hơn và là tiêu chuẩn của ANSI. (Hình 4.5) Các khoảng băng thông từ 4kHz đến 25kHz và từ 138kHz đến 160kHz dùng để tách biệt 3 khoảng tần số cần dùng,không cho chúng ảnh hưởng lên nhau.Phương pháp DMT chia khoảng tần số dùng cho tải dữ liệu xuống thành 256 kênh phụ trong đó 25 kênh phụ(=32-7) cho khoảng tần số dùng để tải dữ liệu lênvà 233 kênh phụ(=256-33) cho khoảng tần số dùng để tải dữ liệu xuống.Mỗi kênh có độ rộng là 4,3125kHz,mỗi hertz được biểu diễn trung bình thành 8bit(về lý thuyết chuẩn T1.413 cho phép biểu diễn 15bit mỗi herzt).Sau đó tất cả được điều chế biên độ vuông-QAM,Quadrature Amplitude Modulation- trước khi truyền.Vì vậy mỗi kênh có dung lượng tải tối đa là 34,5kHz,nên tốc độ truyền tải lên và xuống một cách định tính là: Tốc độ tryền tải = số kênh x số bit mỗi hertz x độ rộng mỗi kênh Tốc độ tải lên = 25 x 8 x 4,3125(Khz) = 862,5Kbps = 7.6935Mbps Tốc độ tải xuống = 223 x 8 x 4,3125(Khz) (Hình 4.6) Sơ đồ khối chi tiết của phương pháp điều chế DMT ØBộ chuyể đổi nối tiếp-song song và khối mã hoá: Trong khối này dòng dữ liệu bit đi đến nối tiếp sẽ được chuyển thành các dữ liệu song song và được nhóm lại thành các khối. Số bit của các khối này chính là số bit mà một biểu tượng có thể truyền đi. Các bit trong khối này sau đó lại tiếp tục phân thành các bit nữa mà mỗi kênh phụ có thể mang. Tại đây có mộ quá trình gọi là bit loading. Bit Loading: trước khi quá trình điều chế DMT được thực hiện, có một quá trình sẽ ấn định số bit thích hợp cho mỗi kênh phụ khác nhau. Quá trình này gọi là “bit loading”. Số bit đưa vào mỗi kênh phụ còn dựa theo điều kiện của môi trường truyền, các hệ thống cưỡng bức, BER và công suất truyền. Trong hệ thống ADSL, hệ số BER luôn cố định là 10 vì hệ thống ADSL là hệ thống được thiết kế cưỡng bức-“design constraint”-, với các hệ thống này công suất truyền có thể hiệu chỉnh được. Theo định lý Shannon, số lượng bit tối đa mà một kênh phụ thứ i có thể mang thì phụ thuộc vào tỉ lệ nhiễu trên tín hiệu SNR của kênh phụ đó: b= log(1+SNR) Mà SNR được tính dựa theo công thức: SNR = với E là năng lượng của kênh phụ thứ i H là mật độ công suất phổ-“power spectral density”-của kênh phụ thứ i là lượng nhiễu trên kênh phụ thứ i Nên tổng số bit truyền trên kênh sẽ là: b =b Đối với dòng tải lên n1=7,n2=32;đối với dòng tải xuống n1=33, n2=256=>dung lượng kênh khi độ thông suất lớn nhất sẽ là: C = = 4.3125 b với f là độ rộng của kênh phụ thứ i Tuy nhiên trong thực tế,hệ thống ADSL phải chịu tỉ lệ lỗi BER-Bit Error Rate-nhất định trong khi truyền,do đó dung lượng kênh ở trên sẽ không bao giờ đạt được.Khi đó số lượng bit đưa vào trong kênh phụ thứ i trong thực tế sẽ là: b = log hoặc b = log với là mức độ thiếu sót của SNR-“SNR gap”-,đại lượng đặc trưng cho sự khác biệt giữa giá trị lý thuyết vào giá trị thực tế của SNR.Nếu BER trong một hệ thống là thì sẽ là 9,8dB.Để đạt đến giới hạn của SNR cần thay đổi giá tri của đại lượng một cách thích hơp,dựa theo biểu thức = 9.8 + + (dB) Trong đó là lượng thêm vào để để đảm bảo tính chính xác còn chấp nhận được của tín hiệu được truyền trước các suy hao không tiên đoán được. là độ lợi mã hoá-“coding gain”-của bộ mã được sử dụng.Với xác suất lỗi của biểu tượng-“symbol error probability”- P cố định, gần như là hằng số.Phương pháp điều chế DMT xác định P theo công thức: P NQ() với N là số lượng các điểm lận cận gần nhất với điểm định pha và biên độ sóng mang của kênh phụ thứ i trên bản đồ chòm sao và: Q(x) = Nhữnng kênh phụ có tỉ số SNR cao sẽ mang được nhiều bit hơn, nhưng hệ thống ADSL chỉ thiết kế để ttruyền phát tối đa 15bit trên 1 Herzt.Do đó số bit trên một kênh chỉ có thể là 0,hoặc từ 2 đến 15bit. Một công thức tương tự khác để xác định số bit trong kênh phụ là: b = log với Q (x) = * công thức về mối liên hệ giữa số bit của một kênh phụ với tỷ số SNR của kênh đo1 với b:là số lượng bit đưa vào mỗi kênh phụ SNR:là tỷ lệ nhiễu trên tín hiệu trung bình của kênh phụ thứ n Tuy nhiên trong thực tế khi vận hành-“show time”- quá trình bit-loading xác định số bit cho từng kênh phụ thường thấp hơn số bit tối đa mà kênh phụ đó có thể mang sau khi xác định được tỷ số SNR của kênh phụ đó ở bên thu.Ví dụ:số bit mà một kênh phụ thứ i được định có thể tải là 12 bit(QAM-4096) nhưng thực tế khi vận hành thì số bit được đưa vào kênh phụ thứ i là 10 bit(QAM-1024).Mục đích của việc làm này là tăng tính ổn định về tốc độ cho đường truyền:theo mặc định phía thu cứ mỗi giây sẽ xác định lại tỷ số SNR 1 lần,do đó nếu tỷ số SNR của một kênh phụ nào đó tại một thời điểm trở nên thấp khiến cho số bit tối đa mà kênh đó có thể tải thấp hơn số bit mà trước đó được đưa vào kênh này trong thực tế,thì những bit dáng lẽ phải giảm đi của kênh phụ này sẽ được chuyển sang các kênh phụ khác mà có số bit dang tải thấp hơn số bit được định cho kênh đó. ØThuật toán chuyển đổi ngược IFFT cơ bản trong hệ thống ADSL: x = với k = 0,1,…,511 Các phương pháp điều chế đa sóng mang thường tạo ra tín hiệu trong miền tần số, DMT cũng là phương pháp điều chế đa sóng mang nhưng tạo ra tín hiệu trong miền thời gian. Do đó thuật toán chuyển Fourier ngược IFFT được sử dụng nhằm chuyển tín hiệu trong miền tần số sang miền thời gian. Thuật toán chuyển đổi Fourrier và chuyển đổi ngược Fourier gọi tắt là thuật toán chuyển đổi Fourier nhanh. Bằng hai thuật toán này số lượng các phép toán giảm xuống đáng kể so với thuật toán chuyển đổi Fourier thông thường DFT-Discrete Fourier Transform-Tuy nhiên thuật toán chuyển đổi Fourier nhanh không hoàn toàn hoàn hảo. ØBộ chuyển đổi song song-nối tiếp và tiền tố đầu chu trình-“cyclic prefix”: Trong khối này các giá trị 2N song song đi vào được chuyển thành các dòng dữ liệu bit nối tiếp-“serial bit stream”-và cái gọi là tiền tố đầu chu trình được thêm vào tại đây. Nguyên tắc của tiền tố đầu chu trình như sau: (Hình 4.7). Giải thích về Cycle frefix Chiều dài cuối của tiền tố đầu chu kỳ của các mẫu được lấy từ cuối khối và được sao lại ở đầu của khối đó. Việc làm này làm cho tín hiệu được truyền ở góc độ nào đó là một tín hiệu tuần hoàn,liên tục.Hiệu quả của tiền tố đầu chu kỳ là cần thiết-“twofold”-vì tạo ra được các khoảng bảo vệ-“guard space”-giữa các biểu tượng cần truyền trong miền thời gian,không cho chúng gây nhiễu lẫn nhau. ØBộ chuyển đổi A/D, D/A: Các bộ chuyể đổi ADC và DAC trong hệ thống DMT thì phức tạp hơn so với hệ thống điều chế 1 sóng mang hay hệ thống điều chế dựa trên dải tần cơ bản-“baseband system”-các bộ chuyển đổi này phải có một tầm động lớn-“great dynamic range”-để có thể đương đầu với một mức áp cao hay tỷ lệ trung bình-“average ratio”- của hệ thống điều chế đa sóng mang.