Вступ

<-На зміст->

5.3 Кодування в ADSL

Найпоширеніші продукти ADSL використовували амплітудно-фазову модуляцію без несучої (САР), квадратурну амплітудну модуляцію (QAM) і дискретну багатотональну технологію (DMT) для кодування сигналів ліній. Інші варіанти випробовувалися тільки в лабораторіях. Незалежно від виду кодування, коли одна пара провідників працює в повнодуплексному режимі, потрібно або розділити діапазон частот для вхідного і вихідного потоків (мультиплексування з поділом за частотами), або використовувати лунопридушення. Придушення луносигналу усуває сприйняття сигналу одного напрямку як джерела сигналу іншого напрямку за рахунок відбиття луносигналу назад до джерела. У ADSL можуть комбінуватися обидва способи (так воно і буває), що спричинено асиметричною природою смуги пропускання ADSL означає перекриття діапазонів частот, але не їхній повний збіг. Таким чином, FDM і лунопридушення використовуються деякою мірою одночасно.
У будь-якому випадку, відповідно до документа Т1.413, для досягнення повнодуплексного режиму сумісна зі стандартом ANSI технологія ADSL повинна використовувати кодування DMT або з FDM, або з лунопридушенням. Випливає, що FDM є простішим методом для реалізації. Лунопридушення чутливіше до перехресних завад на найближчому кінці (NEXT, near-end crosstalk), коли приймач "підбирає" сигнали в суміжній системі. Суміжною системою може бути інша пара проводів або навіть передавач тієї ж системи, що працює в протилежному напрямку. FDM виключає перешкоди NEXT, дозволяючи приймачу цілком ігнорувати діапазон частот іншого передавача. У FDM скорочується сумарна смуга пропускання, доступна в обох напрямках. Лунопридушення ефективніше використовує наявну смугу пропускання ціною підвищення складності і чутливості. Крім того, лунопридушення дозволяє застосовувати найнижчі частоти, що збільшує продуктивність.
Для кодування ADSL можна було б використовувати кожний із широковідомих методів, у тому числі – CAP, QAM і 2В1Q з ISDN і HDSL. Метод DMT був обраний з ряду причин. Однією з них є адаптивна природа пристроїв DMT, що дозволяє легко пристосуватися до умов, що змінюються на лінії, таких як вологість і рівень завад. На вибір цього методу вплинула також стійкість DMT до шуму (в основному радіоперешкод) і присутності цифрових сигналів на суміжних лініях (перехресних завад). Однак продукти на основі САР були успішно реалізовані в декількох експериментальних проектах.
Одна з форм лунопридушення потрібна, коли один діапазон частот служить для одночасного передавання сигналів в обох напрямках по одному фізичному шляху.
Луносигнал виникає через неузгодженість опорів по шляху проходження сигналу. Іншими словами, деяка частина сигналу відбивається назад до передавача. Коли один діапазон частот використовується в обох напрямках, відбитий сигнал можна переплутати із сигналом, що генерується на віддаленому кінці кола. Лунопридушення виконує селектування переданого сигналу у суміші вихідних сигналів, що дозволяє виявити сигнали, передані з віддаленого кінця кола.
Один зі способів лунопридушення – поділ діапазонів частот вихідного і вхідного потоків (простого мультиплексування з поділом частот, FDM). У цьому випадку немає необхідності в керуванні луносигналом на віддаленому кінці.
У верхній частині рис. 5.4 відображена ситуація, коли в ADSL не застосовується лунопридушення. Використовуються діапазон частот 4 кГц для аналогових телефонних ліній, типова в ADSL для вихідного потоку (від будинку) смуга шириною 175 кГц і приблизно 900 кГц для трафіку вхідного потоку (до будинку). Ця асиметрична структура і пряме застосування FDM звільняють кінцеві пристрої ADSL від схем лунопридушення.
Однак базове FDM не є найприйнятнішим використанням доступної смуги пропускання. У нижній частині рис. 5.4 показаний більш ефективний підхід, коли (у дійсності) перекриваються смуги пропускання вихідного і вхідного потоку. Тепер навіть при частковому перекритті будуть потрібні схеми лунопридушення в пристроях ADSL.
Пристрої ADSL на основі САР використовують FDM-підхід, у той час як пристрої ADSL з DMT застосовують лунопридушення, хоча й існує кілька виключень. Варіант із лунопридушенням називається луно-FDM через асиметричність пристрою.
Взагалі існують системи й устаткування FDM ADSL і лунопридушення в ADSL.
У пристроях ADSL (ATU-R і ATU-C) найчастіше використовуються методи кодування САР і DMT. Коди ліній визначають спосіб пересилання нулів до одиниць цифрового сигналу.

Рисунок 5.4 – Відлуння згасання в ADSL

САР – це амплітудно-фазова модуляція без несучої (carrierless amplitude/phase modulation), a DMT — дискретна багатоканальна (багатотонова) модуляція (discrete multitone).
САР пов’язаний з QAM, і більшість розглядає ці методи як фактично нероздільні. Кодування DMT складніше, ніж САР/QAM, і визначається відкритим стандартом ANSI для ADSL (T1.413-1995). В наш час кодування САР реалізується тільки одним виробником (Globespan Semiconductor, у минулому – частина AT&T/Paradyne), але може використовуватися й іншими.
Метод DMT краще виявляє себе при адаптації швидкості (зміна швидкості при зміні параметрів лінії), при різних станах ліній (рівнобіжні відводи, змішування кабелів з різними номерами), при обробці шумів (цифрових завад) і при використанні піднесучих (для телефонії та інших цілей).
САР забезпечує більш просте лунопридушення (хоча багато продуктів САР використовують FDM), меншу затримку (як стверджується, 25% від затримок в DMT), цілісність (заснована на QAM, що має багаторічну історію) і простоту застосування.
Незважаючи на присутність у стандарті Т1.413 кодування DMT, активна група усередині ANSI просуває САР як припустиме альтернативне кодування ліній ADSL. У дійсності в стандарті Т1.413 мало що "прив’язано" винятково до DMT, і обидва кодування можуть використовуватися в ADSL. Пропонується додання кіл САР у пристрої DMT і навпаки. Навіть простий метод QAM розглядається як код лінії, оскільки він усуває операцію обертання в САР і робить пристрої більш рентабельними і простими.
Кілька основних постачальників устаткування ADSL використовують метод САР для кодування на лінії, що визначає лише спосіб передавання нулів і одиниць з ATU-R і ATU-C (це не зменшує важливості кодів ліній). Код для лінії повинен прекрасно функціонувати при неідеальному стані ліній, включаючи присутність шумів, перешкод і ускладнень, подібних до рівнобіжних відводів і змішування кабелів з різними номерами.
САР – близький до методу квадратурно-амплітудної модуляції (QAM, quadrature amplitude modulation). З точки зору математики ці методи ідентичні, і інженери найчастіше не роблять різниці між ними. Відмінність пов’язана з реалізацією. Кращим описом САР може бути QАМ з заглушеною несучою. Оскільки несуча не передає ніякої інформації, у ряді методів кодування зовсім не пересилається несуча і її не потрібно реконструювати в точці призначення. Це називається методом "без несучої" або, більш точно, методом "із заглушенням несучої".
Порівняно з QAM заглушення несучої вимагає більше електричних кіл в кінцевих пристроях, але в наш час підвищення складності пристроїв коштує набагато дешевше, ніж кілька років назад. Так що можна розглядати САР як покращений метод QAM.
QAM установлює "сузір’я", базуючись на двох величинах одержуваного сигналу: на амплітуді і різниці фаз. Будь-яка точка визначається різницею фаз і амплітудою й описує послідовність бітів (наприклад, 0001, 0101 і т. д.). САР є, власне кажучи, методом QAM, у якому "сузір’я" QAM може вільно обертатися (оскільки не існує несучої для його фіксації за абсолютною величиною). Функція обертання в САР визначає точки "сузір’я" QAM (і описувані ними бітові значення). Таким чином, для одержання САР з QAM потрібно додати функцію обертання в приймачі і заглушити несучу в передавачі.
Для передавання бітів САР використовує повну смугу пропускання (за винятком смуги 4 кГц для аналогового телефонного каналу), піднесучі або підканали не застосовуються. Повнодуплексний режим досягається за допомогою FDM, лунопридушення або того й іншого одночасно. Однак майже всі сучасні продукти САР використовують винятково FDM. САР, в основному внаслідок своїх QAM-коренів, є добре проробленою, стабільною і широковідомою технологією.
Усі несучі аналогові сигнали характеризуються амплітудою, частотою та фазою. Кожна з цих величин (або всі три) можуть використовуватися для визначення нулів і одиниць, що складають вміст цифрової інформації, яка пересилається. Для прикладу розглянемо фазу сигналу. Фаза може застосовуватися в схемі передавання цифрової інформації з диференціальним маніпулюванням зсуву фази (DPSK, differential phase shift keying). У цьому випадку фаза хвилі змінюється при передаванні на певний кут для подання кожного бода (зміни в сигналі на лінії). Використання слова "диференціальний" має на увазі, що зсув фази вимірюється відносно поточної фази несучої, а не від абсолютної або заздалегідь заданої фази.
Наприклад, якщо передавач хоче послати одиницю, він зсуває фазу несучої (відносно її поточної фази) на 180 градусів. При передаванні нуля зсув фази дорівнює 0 градусів (поточна фаза несучої не змінюється). Спектр сигналу буде містити явно виражену амплітуду на частоті несучої із сигналами у бічних смугах від фазового зсуву.
Наступним кроком щодо простого DPSK є квадратурне маніпулювання зсувом фази (QPSK, quadrature phase shift keying). QPSK можна розглядати на двох рівнях. На верхньому рівні – це DPSK із двома бітами на один стан сигналу (Бод). Зсув фаз вимірюється щодо поточної фази хвилі.
Хоча цей рівень розгляду підійде для багатьох випадків, він може ввести в оману в більш складних ситуаціях. У QPSK реально переданий сигнал є комбінацією синусоїдальної і косинусоїдальної хвилі F, де            F – частота несучої. Оскільки функції синуса і косинуса завжди мають зсув фази на 90 градусів, про них говорять, що функції знаходяться в квадратурі, тобто перпендикулярні, так що поняття фази правильно застосовано в даній ситуації.
У дійсності QPSK не має нічого спільного зі зсувом фази. Фазовий зсув є наслідком модуляції амплітуд двох хвиль у квадратурі. Однак, не залучаючи складних математичних теорій, буде достатнім вважати QPSK фазовим зсувом.
Як і QPSK, QAM можна розглядати на двох рівнях. На верхньому рівні модулятор QAM створює 16 різних сигналів, використовуючи як фазову, так і амплітудну модуляцію. Вводячи 12 можливих фазових зсувів і дві можливі амплітуди, можна одержати 16 різних типів сигналів. Ці     16 станів сигналів можуть подавати 4 біти для кожного стану лінії або 4 біти на 1 бод сигналу.
Як і для DPSK, існує більш глибокий рівень опису. На нижньому рівні QAM   модулює амплітуди   двох   хвиль у квадратурі, але замість амплітуд   ± 1 простий QAM застосовує 4 різні амплітуди для кожної з двох хвиль. На основі 4-х амплітуд (позначимо їх від ±А1 до ±А4) можна одержати 16 різних типів сигналів за рахунок використання всіх можливих комбінацій амплітуди з простими функціями синуса і косинуса, наприклад: A1 sin (Ft) + A1 cos (Ft), A1 sin (Ft) + A2 cos (Ft) і т. д. У такий спосіб формується характерне сузір’я, що наводиться у всіх посібниках з модемів з кодуванням QAM (метод САР аналогічний). Приклад сузір’я показаний на рис. 5.5. Хоча більш часто сузір’я зображається точками, стрілки допомагають підкреслити фазові кути і різниці амплітуд.

Рисунок 5.5 – Модуляція САР (16 QAM або 4×4 QAM)

На рис. 5.5 показані 12 різних фазових кутів, 4 з них мають 2 амплітуди для однакових синусів і косинусів (чотирирівнева система) при кодуванні 4 бітів у 1 Бод (зміні сигналу, у даному випадку як фази, так і амплітуди). Інші системи можуть мати більше (або менше) комбінацій амплітуд і фаз. Більша кількість рівнів фаз і амплітуд дає більшу кількість точок у сузір’ї і, відповідно, більшу кількість бітів у сигналі. Подібно до всіх багатобітових систем кодування, QAM обмежений кількістю рівнів, що можуть бути детектовані (виявлені) приймачем відносно шумів.
Розглянемо використання QAM/САР для доставки цифрової відеоінформації. Вихідний потік бітів з аналого-цифрового перетворювача поділяється на частини по 4 біти (nibblе – півбайт), оскільки в нашому прикладі використовується QAM/САР з 16 точками в сузір’ї. Півбайти надходять до кодера, що вибирає для них відповідні амплітуди хвиль у квадратурі.
Вихідний сигнал кодера надходить на модулятор, що створює необхідний вихідний сигнал. Модулятор у дійсності комбінує необхідні амплітуди синусів і косинусів частоти несучої, створюючи фазові й амплітудні зсуви, що відповідають потрібними точками сузір’я. Отриманий сигнал фільтрується, щоб усунути вплив інших каналів. Відзначимо, що результуючий сигнал має істотну потужність на частоті несучої.
Уже створено пристрої ADSL (ATU-C і ATU-R), що використовують технології кодування QAM, САР і DMT. Однак офіційним стандартом для ADSL є DMT, що визначено в документі ANSI Т 1.413 від 1995 р. Хоча про DMT говорять, що він новіший, ніж САР або QAM, кодування DMT було винайдено багато років тому в Bell Labs. Дотепер DMT не реалізовувався на практиці з багатьох причин, наприклад, тому що САР і QAM були цілком достатні для телекомунікацій того часу.
Насамперед DMT розбиває повну смугу пропускання локальної аналогової лінії на велике число рівних підканалів. Технічно вони називаються піднесучими, але багато хто називає їх підканалами. Вище зарезервованого діапазону частот аналогових сигналів смуга пропускання простягається до 1,1 МГц. Уся смуга в 1,1 МГц розділяється на 256 підканалів, починаючи з 0 Гц. Кожен канал займає 4,3125 кГц, сумарна смуга пропускання складає 1,104 МГц на лінію. Деякі з підканалів є спеціалізованими, інші не використовуються зовсім. Наприклад, канал 64 на частоті 276 кГц зарезервований для пілотного сигналу.
Більшість систем DMT використовує для передавання інформації тільки 250 або 249 підканалів. Нижні канали, від 1 до 6, резервуються для смуги пропускання аналогових телефонів у 4 кГц. Оскільки 6×4,3125= =25,875 кГц, прийнято розглядати 25 кГц як точку відліку для діапазону служб ADSL. Відзначимо наявність широкої захисної смуги частот (quardband) між аналоговим телефоном і сигналами DMT. Втрати сигналу на верхніх каналах, від 250 і вище, настільки великі, що ці канали важко застосовувати для передавання інформації в довгих лініях.
32 канали вихідного потоку, що починаються з 7, і 250 каналів вхідного потоку дають характерну для ADSL асиметричну смугу пропускання. Кожен підканал має ширину в 4,3125 кГц, і тільки при використанні лунопридушення дійсно можливі 250 підканалів вхідного потоку. Застосування FDM для заглушення луносигналу приводить до    32 каналів вихідного потоку і 218 (або менше) каналів вхідного потоку, оскільки в цьому випадку канали не повинні перекриватися. Канали вихідного потоку займають нижню частину спектра за двома причинами. По-перше, згасання сигналу тут менше, а абонентські передавачі мають меншу потужність, ніж передавачі місцевої станції. По-друге, на місцевих станціях генерується більший шум з можливістю перехресних завад.
Коли пристрої ADSL з кодуванням DMT активізуються, кожний з підканалів тестується кінцевим пристроєм на згасання. У реальності тестування припускає складну процедуру взаємоперевірки на основі вимірювання підсилення сигналу (величина обернена згасанню). Вимірюється і шум у кожному з підканалів.
Не всі підканали використовуються для передавання інформації, деякі зарезервовані для керування мережею і вимірювання продуктивності. Наприклад, у напрямку вхідного потоку для передавання інформації доступні тільки 249 з 256 підканалів.
Кожний з каналів використовує власний метод кодування на основі QAM. Це може здаватись дивним при такому протистоянні між CAP/QAM і DMT. Проте окремі риси QAM присутні й у DMT. У дійсності привабливість DMT полягає не у відмінності від САР і QAM, a скоріше в тому, що на підставі моніторингу продуктивності DMT деякі підканали зможуть переносити більше бітів на один бод, ніж інші канали. Сумарна пропускна здатність дорівнює сумі всіх бітів QAM, посланих по всіх активних каналах (деякі можуть бути цілком вимкнуті).
Більш того, усі підканали контролюються за продуктивністю і рівнем помилок. Швидкості окремих підканалів або їхніх груп можуть варіюватися, забезпечуючи в DMT гранулярність у 32 кбіт/с. Іншими словами, пристрій DMT   може функціонувати   на швидкості                768   кбіт/с або 736 кбіт/с (тобто на 32 кбіт/с менше) залежно від умов функціонування і навколишнього середовища. Для порівняння: пристрої САР пропонують гранулярність у 340 кбіт/с (768 кбіт/с або 428 кбіт/с), але базовий QAM може забезпечити навіть гранулярність у 1 біт/с (не існує технічних обмежень для САР/QAM за рівнем гранулярності). Деякі виробники устаткування ADSL на основі САР говорять про досягнення гранулярності в 32 кбіт/с і навіть про наявність можливостей RADSL у своїх останніх моделях. Слід зазначити, що пристрої САР RADSL модифікують свій спектр при зміні швидкості і стають цілком реальною проблемою при забезпеченні спектральної сумісності.
На рис. 5.6 подано дискретне багатотонове кодування (DMT, discrete multitone) для ADSL-пристрою на звичайній локальній лінії. У верхній частині показана деяка ідеальна ситуація, наприклад, при використанні суцільного мідного кабелю з номером 24 і довжиною менше 5,5 км без значного зовнішнього шуму (велика удача знайти хоча б одну таку лінію). Згасання пов’язане тільки з відстанню і використовуваною частотою. Нижня частина відбиває реальну ситуацію.
Насамперед розглянемо ідеальний варіант. У лівій частині діапазону частот існує максимум для кількості бітів за секунду на піднесучій (підканал), що зможе одержувати і приймати даний пристрій. Однак нижче подана характеристика типової лінії. Підсилення (обернене до згасання) покращується або погіршується залежно від частоти. При великих частотах домінує вплив відстані, а на менших – імпульсні шуми і перехресні завади. Це залишає для сигналів широкий середній діапазон (від 25 кГц до          1,1 МГц) з повільним зниженням підсилення при збільшенні частоти.

Рисунок 5.6 – Робота DMT

Пристрій DMT може виміряти підсилення на кожній піднесучій і підстроїти для каналу швидкість передавання таким чином, щоб відбивати реальний профіль підсилення (див. верхній правий графік на рис. 5.6).
Реальний світ не настільки ідеальний. Середній графік у нижній частині рисунку показує профіль підсилення реальної лінії. Видно два недоліки. По-перше, чітко помітна западина від рівнобіжного відводу, що діє при переміщенні сигналу в ділянці кола з великою затримкою. Обертовий сигнал взаємодіє з основним сигналом. Розміщення западини щодо частотного діапазону залежить від довжини хвилі відводу. Однак та або інша частота буде піддаватися впливу стоячої хвилі. Другий недолік пов’язаний із шумом від розташованої поблизу радіостанції. Станції ведуть мовлення у тому ж верхньому діапазоні частот (або кілогерцовому як говорять про АМ-радіо), у якому приймають сигнали пристрої ADSL. Оскільки локальні лінії є довгими антенами, не дивно, що з’являється цей сигнал (аналоговий телефон, що працює в смузі 4 кГц, стійкий до впливу АМ-станцій).
Відзначимо, що пристрій з DMT (див. рис. 5.6) здатний адаптуватися до швидкості передавання при зміні каналами здатності підтримки даної швидкості пересилання бітів.
Вибір технології DMT як стандарту кодування ADSL (ANSI Т.413-1995) невипадковий. У ADSL кодування DMT має ряд явних переваг порівняно із САР. Однак варто порівняти його з більш новими методами на основі САР (або навіть з базовим QAM). Можливо, у нових методах недоліки компенсуються кращими властивостями. Існує активний рух усередині ANSI за схвалення альтернативного стандарту кодування ліній для ADSL, можливо, на основі САР або QAM. Деякі члени ANSI вважають, що пристрої можуть використовувати два або навіть три способи кодування, і це повинно стати довгостроковою стратегією, якої і варто дотримуватись.