63402

Мультиплексные технологии цифровых абонентских линий

Лекция

Коммуникация, связь, радиоэлектроника и цифровые приборы

Эти технологии поддерживают передачу голоса высокоскоростную передачу данных и видеосигналов создавая при этом значительные преимущества как для абонентов так и для провайдеров. Многие технологии хDSL позволяют совмещать высокоскоростную передачу данных и передачу голоса по одной и той же медной паре.

Русский

2014-06-20

400.32 KB

6 чел.

Лекция 5  - Мультиплексные технологии цифровых абонентских линий

Особенности технологий xDSL; общее описание технологии ADSL; технология HDSL; технологии кодирования, применяемые в HDSL: кодирование 2B1Q и САР; многочастотный алгоритм модуляции DMT

5.1 Общие положения

хDSL (digital subscriber line, цифровая абонентская линия) — семейство технологий, позволяющих значительно повысить пропускную способность абонентской линии телефонной сети общего пользования путём использования эффективных линейных кодов и адаптивных методов коррекции искажений линии на основе современных достижений микроэлектроники и методов цифровой обработки сигнала. Эта технология использует частотное разделение каналов.

Технологии хDSL появились в середине 90-х годов как альтернатива цифровому абонентскому окончанию ISDN (Integreated Services Digital Netvork -  обеспечивает организацию 2 каналов по 64 кбит/c + канал управления 16 кбит/c).

В аббревиатуре xDSL символ «х» используется для обозначения первого символа в названии конкретной технологии, а DSL обозначает цифровую абонентскую линию DSL (есть другой вариант названия — Digital Subscriber Loop — цифровой абонентский шлейф). Технологии хDSL позволяют передавать данные со скоростями, значительно превышающими те скорости, которые доступны даже самым лучшим аналоговым и цифровым модемам. Эти технологии поддерживают передачу голоса, высокоскоростную передачу данных и видеосигналов, создавая при этом значительные преимущества как для абонентов, так и для провайдеров. Многие технологии хDSL позволяют совмещать высокоскоростную передачу данных и передачу голоса по одной и той же медной паре. Существующие типы технологий хDSL различаются в основном по используемой форме модуляции и скорости передачи данных.

Службы xDSL разрабатывались для достижения определенных целей: они должны работать на существующих телефонных линиях, они не должны мешать работе различной аппаратуры абонента, такой как телефонный аппарат, факс и т. д., скорость работы должна быть выше теоретического предела в 56 Кбит/с, и они должны обеспечивать постоянное подключение.

К основным типам xDSL относятся ADSL, HDSL, IDSL, MSDSL, PDSL, RADSL, SDSL, SHDSL, UADSL, VDSL. Все эти технологии обеспечивают высокоскоростной цифровой доступ по абонентской телефонной линии. Некоторые технологии xDSL являются оригинальными разработками, другие представляют собой просто теоретические модели, в то время как третьи уже стали широко используемыми стандартами. Основным различием данных технологий являются методы модуляции, используемые для кодирования данных.

5.2 Общее описание технологии ADSL

ADSL (Asymmetric Digital Subscriber Line — Асимметричная цифровая абонентская линия) входит в число технологий высокоскоростной передачи данных, имеющих общее обозначение xDSL. Общее название технологий DSL возникло в 1989 году, когда впервые появилась идея использовать аналого-цифровое преобразование на абонентском конце линии, что позволило бы усовершенствовать технологию передачи данных по витой паре медных телефонных проводов. Технология ADSL была разработана для обеспечения высокоскоростного доступа к интерактивным видеослужбам (видео по запросу, видеоигры и т.п.) и передачи данных (доступ в Интернет, удаленный доступ к ЛВС и другим сетям).

Прежде всего, ADSL является технологией, позволяющей превратить витую пару телефонных проводов в тракт высокоскоростной передачи данных. Линия ADSL соединяет два модема ADSL, которые подключены к каждому концу витой пары телефонного кабеля (рисунок 5.1). При этом организуются три информационных канала — «нисходящий» поток передачи данных, «восходящий» поток передачи данных и канал обычной телефонной связи (POTSPlain Old Telephon Service) (рисунок 5.2). Канал телефонной связи выделяется с помощью фильтров, что гарантирует работу телефона даже при аварии соединения ADSL.

POTS предоставляет:

  1.  полнодуплексную передачу звуковых данных с диапазоном частот от 300 до 3400 Гц
  2.  возможность принятия сигнала вызова
  3.  возможность передачи номера абонента для установления связи (набор номера)
  4.  (возможно) предоставление дополнительных сервисов с переадресацией

Достоинства:

  1.  Низкая стоимость оконечных терминалов (телефонных аппаратов)
  2.  Широкий спектр оборудования с общеупотребительными стандартами (модемная связь, факсимильная, голосовая)
  3.  Отсутствие необходимости обучения сотрудников
  4.  Низкие требования к качеству кабельных систем
  5.  Возможность использования общей «земли» в многопарных кабелях

Ключевые недостатки:

  1.  Линия POTS предоставляет возможность одного соединения в один момент времени
  2.  Длительный период установления связи и вызова
  3.  Низкая скорость передачи (порядка 64 кбит/с)
  4.  Высокая стоимость подключения и обслуживания (1 пара для каждого канала)
  5.  Отсутствие коррекции ошибок (в случае голосового трафика), амплитудная модуляция, чувствительная к наводкам
  6.  Высокое напряжение вызова, ощущаемое человеком в случае контакта с проводами
  7.  Несимметричный сигнал, осложняющий гальваническую развязку_______________

 

Рисунок 5.1 – Место ADSL в телефонной сети

 

Рисунок 5.2 – Спектр ADSL-сигнала

ADSL является асимметричной технологией — скорость «нисходящего» потока данных (данных, которые передаются в сторону конечного пользователя) выше, чем скорость «восходящего» потока данных (передаваемого от пользователя в сторону сети). Скорость передачи данных от пользователя (более «медленное» направление передачи данных) все равно значительно выше, чем при использовании аналогового модема. Фактически она также значительно выше, чем ISDN (Integrated Services Digital Network — Интегральная цифровая сеть связи).

Для сжатия большого объема информации, передаваемой по витой паре, в технологии ADSL используется цифровая обработка сигнала и специально созданные алгоритмы, усовершенствованные аналоговые фильтры и аналого-цифровые преобразователи. Телефонные линии большой протяженности могут ослабить передаваемый высокочастотный сигнал (например, на частоте 1 МГц, что является обычной скоростью передачи для ADSL) на величину до 90 дБ. Это заставляет аналоговые системы модема ADSL работать с достаточно большой нагрузкой, позволяющей иметь большой динамический диапазон и низкий уровень шумов. На первый взгляд система ADSL достаточно проста — создаются каналы высокоскоростной передачи данных по обычному телефонному кабелю. Но, если детально разобраться в работе ADSL, можно понять, что данная система относится к серьезным достижениям современной технологии.

Технология ADSL использует метод разделения полосы пропускания медной телефонной линии на несколько частотных полос. Это позволяет одновременно передавать несколько сигналов по одной линии. Точно такой же принцип лежит в основе кабельного телевидения, когда каждый пользователь имеет специальный преобразователь, декодирующий сигнал и позволяющий видеть на экране телевизора разные программы. При использовании ADSL разные несущие одновременно переносят различные части передаваемых данных. Этот процесс известен как частотное уплотнение линии связи (Frequency Division Multiplexing — FDM) (рисунок 5.2). При FDM один диапазон выделяется для передачи «восходящего» потока данных, а другой диапазон для «нисходящего» потока данных. Диапазон «нисходящего» потока в свою очередь делится на один или несколько высокоскоростных каналов и один или несколько низкоскоростных каналов передачи данных. Диапазон «восходящего» потока также делится на один или несколько низкоскоростных каналов передачи данных.

 

Рисунок 5.3 – Применение эхокомпенсации для экономии частотного ресурса

Кроме этого может применяться технология эхокомпенсации (Echo Cancellation), при использовании которой диапазоны «восходящего» и «нисходящего» потоков перекрываются (рисунок 5.3) и разделяются средствами местной эхокомпенсации. В системе предусмотрено две скорости передачи данных: в «нисходящем» потоке (передача данных от сети к компьютеру) скорость передачи больше, чем в «восходящем» потоке (передача данных от компьютера в сеть).

Именно таким образом ADSL может обеспечить одновременную высокоскоростную передачу данных, передачу видеосигнала и передачу факса без прерывания обычной телефонной связи, для которой используется та же телефонная линия. Технология предусматривает резервирование определенной полосы частот для обычной телефонной связи (или POTS — Plain Old Telephone Service). Удивительно, как быстро телефонная связь превратилась не только в «простую» (Plain), но и в «старую» (Old); получилось что-то вроде «старой доброй телефонной связи». Разработчики новых технологий, все же оставили телефонным абонентам узенькую полоску частот для живого общения. При этом телефонный разговор можно вести одновременно с высокоскоростной передачей данных, а не выбирать одно из двух. Более того, даже если отключится электричество, то обычная «старая добрая» телефонная связь будет работать по-прежнему. Обеспечение такой возможности было одним из разделов оригинального плана разработки ADSL. Даже одна эта возможность дает системе ADSL значительное преимущество перед ISDN, которая полностью заисит от внешнего электропитания.

Одним из основных преимуществ ADSL над другими технологиями высокоскоростной передачи данных является использование обычных витых пар медных проводов телефонных кабелей. Очевидно, что таких пар проводов насчитывается гораздо больше, чем кабелей, проложенных специально для кабельных модемов. ADSL образует, если можно так сказать, «наложенную сеть». При этом дорогостоящей и отнимающей много времени модернизации коммутационного оборудования (как это необходимо для ISDN) не требуется.

Факторами, влияющими на скорость передачи данных, являются состояние абонентской линии (диаметр проводов, наличие кабельных отводов и т.п.) и ее длина. Затухание сигнала в линии увеличивается при увеличении длины линии и возрастании частоты сигнала, и уменьшается с увеличением диаметра провода. Фактически функциональным пределом для ADSL является абонентская линия длиной 3,5 — 5,5 км при толщине проводов 0,5 мм. В настоящее время ADSL обеспечивает скорость «нисходящего» потока данных в пределах от 1,5 Мбит/с до 8 Мбит/с и скорость «восходящего» потока данных от 640 Кбит/с до 1,5 Мбит/с. Общая тенденция развития данной технологии обещает в будущем увеличение скорости передачи данных, особенно в «нисходящем» направлении. Укртелеком предлагает максимум: ОГО!Ультра до 20 Мбит/с нисходящий поток 3 –восходящий за 130 грн/мес.

Для того, чтобы оценить скорость передачи данных, обеспечиваемую технологией ADSL, необходимо сравнить ее с той скоростью, которая может быть доступна пользователям, использующим другие технологии. Аналоговые модемы позволяют передавать данные со скоростью от 14,4 до 56 Кбит/с. ISDN обеспечивает скорость передачи данных 64 Кбит/с на канал (обычно пользователь имеет доступ к двум каналам, что в сумме составляет 128 Кбит/с). Различные технологии DSL дают возможность передавать данные с различными скоростями (Таблица 5.1).

Кабельные модемы имеют скорость передачи данных от 500 Кбит/с до 10 Мбит/с (следует учитывать, что полоса пропускания кабельных модемов делится между всеми пользователями, одновременно имеющими доступ к данной линии, поэтому число одновременно работающих пользователей оказывает значительное влияние на реальную скорость передачи данных каждого из них). Цифровые линии Е1 и Е3 имеют скорость передачи данных 2,048 Мбит/с (Е1) и 34 Мбит/с (Е3).

Таблица 5.1 – Скорости передачи в разлиных технологиях  хDSL

Наименование технологии

DSL

Скорость передачи в потоках, Мбит/с

Нисходящий

Восходящий

IDSL основана на ISDN

0,144

0,144

HDSL

2,048

1,544

ADSL

1,5 — 8

0,64 — 1,50

VDSL

13 — 52

1,5 — 2,3

При использовании технологии ADSL полоса пропускания линии, с помощью которой пользователь связан с магистральной сетью, принадлежит этому пользователю всегда и целиком. Рассмотрим некоторые преимущества ADSL.

Скорость передачи данных. Скорости, указанные в таблице не являются пределом. В стандарте ADSL 2 реализованы скорости 10 Мбит/с для «нисходящего» и 1 Мбит/с «восходящего» потока при дальности до 3 км, а в технологии ADSL 2+,  фигурируют скорости «нисходящего» потока в 20, 30 и 40 Мбит/с (соответственно по 2,3 и 4 парам проводов).

Полоса пропускания линии принадлежит пользователю целиком в отличие от кабельных модемов, которые допускают разделение полосы пропускания между всеми пользователями. Технология ADSL предусматривает использование линии только одним пользователем. 

Ресурсы линии при использовании технологии ADSL используются полностью. При обычной телефонной связи используется около одной сотой пропускной способности телефонной линии. Технология ADSL устраняет этот «недостаток» и использует оставшиеся 99% для высокоскоростной передачи данных. При этом для различных функций используются различные полосы частот. Для телефонной (голосовой) связи используется область самых низких частот всей полосы пропускания линии (приблизительно до 4 кГц), а вся остальная полоса используется для высокоскоростной передачи данных.

Экономичность. Технология ADSL эффективна потому, что не требует прокладки специальных кабелей, а использует уже существующие двухпроводные медные телефонные линии. Для того, чтобы линия ADSL работала, необходимо немного оборудования. На обоих концах линии устанавливаются модемы ADSL: один на стороне пользователя (дома или в офисе), а другой на стороне сети (у провайдера Интернет или на телефонной станции). Кроме того, пользователю для того, чтобы модем ADSL работал, необходимо иметь компьютер и интерфейсную плату.

5.3 Технология HDSL (High Data Rate Digital Subscriber Line) — высокоскоростная цифровая абонентская линия

Это первая технология высокоскоростной передачи данных (ПД) по скрученным медным парам телефонных кабелей, использующая высокие частоты. Была разработана в США в конце 80-х годов как более высокоскоростная, синхронная технология для организации каналов передачи не только данных, но и голосовых каналов, используя T1/E1.

HDSL может оперировать как скоростью T1 (1,544 Мбит/с) или E1 (2 Мбит/с). Более низкие скорости обслуживаются использованием каналов 64 Кбит/с, внутри T1/E1 пакета. Это обычно называется потоком T1/E1, и используется для предоставления низкоскоростных каналов пользователям. В таких случаях, скорость канала будет полной (T1/E1), но абонент получит только ограниченную скорость 64 Кбит/с (или несколько по 64 Кбит/с) со своей стороны.

Из-за необходимости обеспечения симметричной ПД максимальная скорость ПД поддерживается только на расстоянии не более 4,5 км при использовании одной или двух скрученных пар кабеля. Возможна ПД на большие расстояния, при условии использования регенераторов. Данные кодируются методом 2B1Q (два бита (2В) в один из четырех уровней напряжения (1Q)), используется дуплекс, а, следовательно, методы эхокомпенсации.

Технология VDSL (Very-high data rate Digital Subscriber Line, сверхвысокоскоростная цифровая абонентская линия) — самое современное на 2001-2006 года xDSL решение, продукт эволюции и конвергенции технологий ADSL и G.SHDSL.

По сравнению с ADSL, VDSL имеет значительно более высокую скорость передачи данных: от 13 до 52 Мбит/с в направлении от сети к пользователю (Downstream) и до 11 Мбит/с от пользователя к сети (Upstream) при работе в асимметричном режиме; максимальная пропускная способность линии VDSL при работе в симметричном режиме составляет примерно 26 Мбит/с в каждом направлении передачи. В зависимости от требуемой пропускной способности и типа кабеля длина линии VDSL лежит в пределах от 300 метров до 1,3 км.

Предоставление пользователю столь высоких пропускных способностей возможно только в смешанной медно-оптической сети доступа, к которой традиционная сеть доступа на металлических кабелях будет мигрировать по мере появления новых приложений и связанного с этим увеличения числа пользователей, нуждающихся в столь высоких пропускных способностях технологии VDSL.

SHDSL (англ. Single-pair High-speed + DSL), G.shdsl, ITU G.991.2 — одна из xDSL технологий, обеспечивает симметричную дуплексную передачу данных сигнала по паре медных проводников. Используется преимущественно для соединения абонентов с узлом доступа провайдера (так называемая последняя миля). Основные идеи взяты из технологии HDSL2.

По стандарту технология SHDSL обеспечивает симметричную дуплексную передачу данных со скоростями от 192 Кбит/с до 2.3 Mбит/c (с шагом в 8 Кбит/с) по одной паре проводов, соответственно от 384 кбит/c до 4,6 Mбит/c.м. по двум парам.
При использовании методов кодирования
TC-PAM128 , стало возможным повысить скорость передачи до 15,2 Мбит/сек по одной паре и до 30,4 Мбит/сек по двум парам.

5.4 Технологии кодирования, применяемые в HDSL

Наиболее широко сейчас применяются: технология АDSL для создания индивидуальних линий и технология HDSL для создания групповых линий. Как уже отмечалось, главной идеей технологии HDSL является использование существующего металлического кабеля для безрегенераторной передачи цифровых потоков 2 Мбит/с на большие расстояния. Оборудование HDSL применимо для работы по кабелю любого типа — симметричному городскому (ТПП), зоновому (КСПП, ЗКП) и даже коаксиальному (после некоторой переработки линейных согласующих блоков).

Главные факторы, влияющие на качество работы оборудования HDSL — параметры линии связи.

1. Ослабление сигнала. Затухание сигнала в кабельной линии зависит от типа кабеля, его длины и частоты сигнала. Чем длиннее линия и выше частота сигнала, тем выше затухание.

2. Нелинейность АЧХ. Кабельная линия связи представляет собой фильтр нижних частот.

3. Перекрестные помехи на ближнем и дальнем концах (FEXT, NEXT).

4. Радиочастотная интерференция.

5. Групповое время задержки. Скорость распространения сигнала в кабеле зависит от его частоты, таким образом, даже при равномерной АЧХ форма импульса при передаче искажается.

Основу оборудования HDSL составляет линейный тракт, то есть способ кодирования (или модуляции) цифрового потока для его передачи по медной линии. Технология HDSL предусматривает использование двух технологий линейного кодирования — 2B1Q (2 binary, 1 quartenary; 2 бита 4-мя уровнями - квартой) и CAP (Carrierless Amplitude and Phase Modulation). Обе технологии основаны на цифровой обработке передаваемого и принимаемого сигналов сигнальным процессором и обладают рядом общих принципов. Так, для снижения частоты линейного сигнала, а следовательно, повышения дальности работы, в технологии HDSL применена адаптивная эхокомпенсация. Суть ее состоит в том, что прием и передача ведутся в одном спектральном диапазоне, разделение сигналов осуществляет микропроцессор. Приемник модема HDSL как бы вычитает из линейного сигнала сигнал собственного передатчика и его эхо (сигнал, отраженный от дальнего конца кабеля или от места сочленения составного кабеля). Настройка системы HDSL под параметры каждой линии происходит автоматически, оборудование динамически адаптируется к параметрам каждого кабеля, поэтому при установке аппаратуры или ее переносе с одного участка на другой не требуется проведения каких-либо ручных настроек или регулировок.

Применение эхокомпенсации позволило вести не только в одном кабеле, но и по одной паре передачу в обоих направлениях, что также является ключевым преимуществом технологии HDSL перед применяемыми ранее методами линейного кодирования HDB3. Напомним, что построенные до появления технологий DSL тракты Т1 или Е1, помимо установки множества линейных регенераторов (через каждые 1000— 1500 м), требовали прокладки двух кабелей, в одном из которых все пары задействовались под передачу, а в другом под прием.

Теперь рассмотрим более подобно каждый из методов кодирования HDSL.

5.5 Кодирование 2B1Q

Первой была разработана технология 2B1Q, которая остается широко распространенной в странах Западной Европы и США. Технология 2B1Q изначально использовалась в сетях ISDN для передачи потока 144 кбит/с (2B+D, BR ISDN). Затем она была модернизирована для передачи более высокоскоростных потоков. Код 2B1Q представляет собой модулированный сигнал, имеющий 4 уровня, то есть в каждый момент времени передается 2 бита информации (4 кодовых состояния). Спектр линейного сигнала симметричный и достаточно высокочастотный (рисунок 5.4), присутствуют также низкочастотные и постоянная составляющие.

Код 2B1Q передает пару бит за один битовый интервал. Каждой возможной паре в соответствие ставится свой уровень из четырех возможных уровней потенциала. Паре
00 соответствует потенциал −2,5 В,  01 соответствует −0,833 В, 11 — +0,833 В, 10 — +2,5 В.

Достоинство метода 2B1Q: сигнальная скорость у этого метода в два раза ниже, чем у кодов NRZ и AMI, а спектр сигнала в два раза уже. Следовательно с помощью 2B1Q-кода можно по одной и той же линии передавать данные в два раза быстрее.Недостаток метода 2B1Q: Реализация этого метода требует более мощного передатчика и более сложного приемника, который должен различать четыре уровня._______________________________________________   

Рисунок 5.4 – Частотное и временное представление кода 2B1Q

На передачу кода 2B1Q оказывают влияние различные факторы. В городских условиях создается большое количество низкочастотных наводок, например при пуске мощных электрических машин (метро, трамваи и т.д.), электросварке, кроме того, в кабелях связи создается большое количество импульсных помех (набор номера, передача сигналов сигнализации и т.д.). Комплекты БИС (больших интегральных схем), реализующих технологию 2B1Q, используют достаточно сложные методы коррекции искажений в низкочастотной области спектра и обеспечивают удовлетворительное качество передачи. Вместе с тем кодирование 2B1Q все же остается чувствительным к искажениям, так как сигнал имеет постоянную составляющую, и более того, максимум энергетического спектра приходится на низкие частоты.

Большой разброс частот в спектре сигнала 2B1Q ведет к возникновению трудностей, связанных с групповым временем задержки. Микропроцессорная обработка, помогает решить эти проблемы, но алгоритм обработки сигнала существенно усложняется.

Серьезное влияние на передачу оказывает радиочастотная интерференция. Радиопередачи в диапазонах длинных и средних волн, работа мощных радиорелейных линий вызывают наводки на кабельную линию и мешают передаче кода 2B1Q, если имеют совпадающие участки спектров. Этот фактор особенно негативно сказывается при использовании аппаратуры HDSL для соединения студий и радиопередающих центров, а также при монтаже оборудования в помещениях или в непосредственной близости телерадиоцентров .

Спектр кода 2B1Q содержит высокочастотные составляющие, максимум энергии передается в первом "лепестке", ширина его пропорциональна скорости на линии. Затухание сигнала в кабеле растет с увеличением его частоты, поэтому в зависимости от требуемой дальности применяется одна из трех скоростей линейного сигнала (784, 1168 или 2320 кбит/с). Технология 2В1Q для передачи потока 2 Мбит/с использует одну, две или три пары медного кабеля. По каждой из пар передается часть потока (рисунок 5.4) с вышеупомянутыми скоростями. Наибольшая дальность работы достигается при использовании трех пар (около 4 км по жиле 0,4 мм), наименьшая — при работе по одной паре (менее 2 км).

Ввиду того, что дальность работы систем HDSL (кодирование 2B1Q), использующих одну пару, не удовлетворяет базовым требованиям по дальности, такие системы не нашли широкого распространения. Системы, работающие по трем парам, до сих пор достаточно широко используются, однако постепенно вытесняются системами, применяющими технологию кодирования САР и обеспечивающими ту же дальность по двум парам. Из систем с кодированием 2B1Q наибольшее распространение имеют системы, работающие по двум парам. Их дальность работы (около 3 км по жиле 0,4 мм) обеспечивает подавляющее большинство задач доступа в странах Западной Европы и США, где длина АЛ в 80% случаев (данные Schmid Telecom AG) не превышает 3 км.

По мнению большинства экспертов, с технической точки зрения технология 2B1Q несколько уступает более поздней технологии линейного кодирования — САР. Однако в мире до сих пор производится большое количество оборудования, использующего 2B1Q, потому что: во-первых, длина абонентских линий в США и Западной Европе, как правило, небольшая, так что дальности 2B1Q вполне достаточно, качество кабеля в вышеупомянутых регионах также высокое, что снижает влияние различных мешающих факторов; во-вторых, важным достоинством технологии 2B1Q является ее дешевизна. Около десяти крупных производителей БИС поставляют комплексные решения для создания оборудования HDSL по технологии 2B1Q. Наличие конкуренции, естественно, положительно сказывается на цене микросхем и готовых модулей приемопередатчиков. По мнению зарубежных экспертов, технология 2B1Q становится все более и более "доступной": многие компании, даже не специализирующиеся на производстве оборудования xDSL, получат возможность быстро и дешево разработать собственное устройство или блок HDSL с использованием готовых решений (иногда целых HDSL модулей) от поставщиков БИС, таких, как Metalink, Brooktree (Rockwell), PairGain Technologies и др.

5.6 Кодирование CAP

В странах Восточной Европы, Южной Америки, Азии из-за большей длины абонентских и соединительных линий, более низкого качества проложеных кабелей, большим спросом пользуются системы HDSL, базирующиеся на технологии CAP (Carrierless Amplitude and Phase Modulation) — амплитудно-фазовой модуляции без передачи несущей. Разработчик технологии — компания GlobeSpan (бывшая AT&T) — поставила себе целью создать узкополосную технологию линейного кодирования, нечувствительную к большинству внешних помех, что, как показывает опыт внедрения систем HDSL САР в мире, вполне удалось. Алгоритм САР модуляции является разновидностью QAM модуляции.

Квадратурная (амплитудная) модуляция (КАМ; Quadrature Amplitude Modulation (QAM)) — разновидность амплитудной модуляции сигнала, которая представляет собой сумму двух несущих колебаний одной частоты, но сдвинутых по фазе относительно друг друга на 90°, каждое из которых модулировано по амплитуде своим модулирующим сигналом:

S(t) = I(t) cos(2πf0t) + Q(t) sin(2πf0t),

uде I(t) и Q(t)  — модулирующие сигналы,  f0 — несущая частота.

При использовании КАМ-модуляции передаваемая информация кодируется одновременными изменениями амплитуды и фазы несущего колебания._______________________

Модуляция САР сочетает в себе последние достижения модуляционной технологии и микроэлектроники. При САР модуляции сигнала несущая частота модулируется по амплитуде и фазе, создавая кодовое пространство с 64 или 128 состояниями, при этом перед передачей в линию сама несущая, не передающая информацию, но содержащая наибольшую энергию, "вырезается" из сигнала, а затем восстанавливается микропроцессором приемника. Соответственно 64-позиционной модуляционной диаграмме сигнал CAP-64 передает 6 бит информации в каждый момент времени, то есть в 16 раз больше по сравнению с 2B1Q. Модуляция CAP-128, применяемая в системах SDSL (2 Мбит/с по одной паре), имеет 128-позиционную модуляционную диаграмму и, соответственно, передает 7 бит за один такт. Итогом повышения информативности линейного сигнала является существенное снижение частоты сигнала и ширины спектра, что, в свою очередь, позволило избежать диапазонов спектра, наиболее подверженных различного рода помехам и искажениям. На рисунке 5.5 показаны спектр и модуляционная диаграмма сигнала САР.

Рисунок 5.5 – Спектр и модуляционная диаграмма технологии CAP

Для иллюстрации достоинств модуляции САР на рисунке 5.6 показаны спектры сигналов с кодом HDB3 (технология, применяемая ранее для линий Е1, в частности, используемая в линейных тактах систем типа ИКМ-30), 2B1Q и САР.

AMI-код использует следующие представления битов:

  1.  биты 0 представляются нулевым напряжением (0 В);
  2.  биты 1 представляются поочерёдно значениями -U или +U (В).

AMI-код обладает хорошими синхронизирующими свойствами при передаче серий единиц и сравнительно прост в реализации. Недостатком кода является ограничение на плотность нулей в потоке данных, поскольку длинные последовательности нулей ведут к потере синхронизации. Используется в телефонии уровня передачи данных, когда используются потоки мультиплексирования.

Код HDB3 – то же что и AMI, только кодирование последовательностей из четырех нулей заменяется на код -V, 0, 0, -V или +V, 0, 0, +V — в зависимости от предыдущей фазы сигнала.____

Рисунок 5.6 - Спектры сигналов HDB3, 2B1Q, CAP

Из сравнительного анализа спектров вытекают положительные особенности систем HDSL, основанных на САР модуляции: дальность работы; помехоустойчивость; малый уровень создаваемых помех, что обеспечивает совместимость с аппаратурой уплотнения, работающей по соседним парам.

1. Дальность работы аппаратуры

Затухание в кабеле пропорционально корню из частоты сигнала, поэтому сигнал САР, спектр которого не имеет составляющих выше 260 кГц, распространяется на большее расстояние, чем сигнал с кодом 2B1Q или HDB3. Выходная мощность в системах HDSL ограничена стандартами (+13,5 дБ), а чувствительность приемника из-за шумов не может превышать -43 дБ, поэтому снижение частоты линейного сигнала увеличивает дальность работы систем САР по сравнению с 2B1Q. Для систем, работающих по двум парам, выигрыш составляет 15—20% (для жилы 0,4—0,5 мм), для систем SDSL (работающих по одной паре) — 30...40%. Дальность передачи (без регенераторов), достигаемая в HDSL CAP, выше дальности работы линейного тракта ИКМ-30 (HDB-3) на 350—400% (в 4-5 раз).

2. Высокая помехоустойчивость и нечувствительность к групповому времени задержки

Из-за отсутствия в спектре высокочастотных (свыше 260 кГц) и низкочастотных (ниже 40 кГц) составляющих, технология САР нечувствительна к высокочастотным наводкам (перекрестные помехи, радиоинтерференция) и импульсным шумам, так же как и к низкочастотным наводкам и искажениям, например, при пуске мощных электрических машин (ж/д, метро) или электросварке. Поскольку ширина спектра составляет лишь 200 кГц, не проявляются эффекты, вызываемые групповым временем задержки.

3. Минимальный уровень помех и наводок на соседние пары.

Сигнал САР не вызывает интерференции (взаимовлияния) и помех в спектре обычного (аналогового) телефонного сигнала, так как в спектре нет составляющих ниже 4 кГц. Это снимает ограничения на использование соседних пар для обычных (аналоговых) абонентских или межстанционных соединений.

4. Совместимость с аппаратурой уплотнения, работающей по соседним парам.

Большинство аналоговых систем уплотнения абонентских и соединительных линий используют спектр до 1 МГц. Системы с модуляцией САР могут вызывать наводки на частотные каналы в диапазоне 40—260 кГц, однако остальные каналы не подвергаются какому-либо влиянию, следовательно, есть возможность использования аппаратуры HDSL САР в одном кабеле с аналоговой аппаратурой уплотнения. Системы же HDSL с модуляцией 2B1Q вызывают наводки фактически на все частотные каналы аналоговых систем уплотнения , нагружающих соседние пары, поэтому, как правило, не могут быть использованы в одном кабеле с аналоговой аппаратурой уплотнения.

В таблице 5.1 представлены типовые значения дальности работы оборудования HDSL WATSON (производство Schmid Telecom AG, Швейцария) различных серий. Оборудование WATSON 2 использует кодирование 2B1Q и работает по двум парам, WATSON 3 использует CAP-64 и работает также по двум парам, а работающая по одной паре аппаратура WATSON 4 применяет модуляцию CAP-128. Приведенные в таблице данные являются лишь типовыми значениями, измеренными на определенных кабелях при заданных уровнях шумов (в соответствии со стандартами ETSI). В случае, когда приведенная в таблице дальность оказывается недостаточной (длина линии, на которой необходимо организовать цифровой тракт, превышает типовые значения), применяется регенератор. Его организуют из двух блоков HDSL, соединенных "спина к спине", или выполняют в специальном корпусе в качестве особого устройства. Регенератор удваивает рабочую дистанцию, на одной линии теоретически возможно использование до 7—8 регенераторов.

Таблица 5.1. Характерная дальность работы систем HDSL и SDSL WATSON

Диаметр жилы

Допустимая длина линии без регенераторов

WATSON 2 (2B1Q)

WATSON 3 (CAP-64)

WATSON 4 (CAP-128)

0,4 мм

до 4 км

4-5 км

3,0 км

0,6 мм

до 6 км

6-7 км

4,2 км

0,8 мм

до 9 км

до 9 км

6,3 км

 При проектировании сети важно на практике определить пригодность кабельных пар к работе оборудования HDSL. Приблизительно оценить возможность применения системы HDSL поможет таблица 5.1. Чтобы получить более точные результаты, следует провести ряд измерений (определить NEXT, FEXT – некоторые аналоги переходных затуханий на ближнем и дальнем концах линии), с помощью специального тестера, позволяющего генерировать характерные для HDSL значения перекрестных помех и проверить затухание в линии на характерных частотах. Часто бывает значительно проще и дешевле проверить кабельные пары пробным включением пары модемов HDSL, обеспечивающих полную диагностику в соответствии с рекомендацией ITU-T G.826. Такой подход позволит не только на 100% определить, пригодна ли линия для аппаратуры конкретного типа (2B1Q, CAP-64 или CAP-128), но и измерить большое количество качественных характеристик полученного цифрового тракта (BER и др.).

5.7 Многочастотный алгоритм модуляции DMT

Основные положения этого алгоритма модуляции были сформулированы и запатентованы специалистами Amati Communications (в настоящий момент эта компания является частью Texas Instruments Internet Access group) в начале 90-х годов. В 1993 году технология была выбрана ANSI (American National Standards Institute – институт стандартов) в качестве алгоритма линейного кодирования для перспективных систем передачи данных. Сложность технической реализации данного алгоритма на первоначальном этапе развития DSL-технологий ограничивала область его применения. В настоящий момент алгоритм DMT имеет многочисленные технические реализации и является одним из основных алгоритмов модуляции для наиболее перспективных технологий ADSL, НDSL и VDSL.

Алгоритм DMT построен по принципиально иной по сравнению с САР схеме. Данный алгоритм использует не одну частоту, а группу несущих частот. При использовании этого алгоритма модуляции 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 (Рисунок 5.7).

Рисунок 5.7 – Структура нисходящего потока при DMT-модуляции

На рисунке представлен вариант частотной организации нисходящего потока стандарта G.DMT для варианта с подавлением эхо-сигналов (echo cancellation). Для данного варианта в направлении абонента организуется 249 частотных каналов. Кроме того, для этого варианта характерно перекрытие частотных диапазонов, которые используются для входящего и исходящего информационных потоков. На рисунке 5.8 представлен вариант частотной организации восходящего потока G.DMT.

Рисунок 5.8 – Структура восходящего потока при DMT-модуляции

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 с большими значениями индекса модуляции, например, QAM 64, в то время, как на более зашумленных участках могут применяться более простые алгоритмы модуляции. Очевидно, что использование такого принципа регулирования скорости передачи данных, позволяет наиболее точно согласовать параметры модулированного сигнала с параметрами линии, по которой сигнал будет передаваться. При передаче данных информация распределяется между независимыми каналами пропорционально их пропускной способности, приемник выполняет операцию демультиплексирования и восстанавливает исходный информационный поток. На рисунке 5.9 показан пример адаптации системы к конкретной линии.

Рисунок 5.9 – Пример адаптации характеристики DMT-передатчика

На рисунке 5.9 зеленым цветом обозначена неадаптированная частотная характеристика DMT-передатчика. Красным цветом выделена кривая зависимости затухания в линии от частоты передаваемого сигнала. Линией синего цвета обозначена частотная помеха, которая постоянно действует в сравнительно небольшом участке в пределах рабочего диапазона частот передатчика.

На рисунке 5.10 приведена адаптированная характеристика DMT-передатчика.

Рисунок 5.10 - Адаптированная характеристика DMT-передатчика

После выполнения операций согласования пропускной способности элементарных каналов с приведенными частотными характеристиками линии зависимость скоростей передачи данных от частотного номера элементарного канала будет соответствовать кривым, которые приведены на рисунке 5.10.

Достоинства алгоритма

Алгоритм модуляции DMT представляет собой дальнейшее развитие идеи, которая была положена в основу алгоритмов QAM. В силу этого он, безусловно, способен обеспечить высокую скорость и надежность передачи данных. К дополнительным достоинствам этого алгоритма относятся возможность оперативной и точной адаптации приемо-передающих устройств к характеристикам линии и практически повсеместное признание этого алгоритма стандартизующими организациями (в первую очередь ANSI).

Недостатки алгоритма

К недостаткам алгоритма модуляции DMT относятся его громоздкость и недостаточная технологичность. Алгоритм DMT является самым сложным для аппаратной реализации среди всех алгоритмов, которые в настоящее время используются для формирования линейного кода устройств DSL. Тем не менее этот алгоритм утвержден ANSI в качестве основного алгоритма линейного кодирования для ADSL и VDSL.


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

78514. Операционные системы: концепции и механизмы управления процессами и ресурсами 38 KB
  Функциями ОС по управлению памятью являются: отслеживание свободной и занятой памяти выделение памяти процессам и освобождение памяти при завершении процессов вытеснение процессов из оперативной памяти на диск когда размеры основной памяти не достаточны для размещения в ней всех процессов и возвращение их в оперативную память когда в ней освобождается место а также настройка адресов программы на конкретную область физической памяти. Так как во время трансляции в общем случае не известно в какое место оперативной памяти будет загружена...
78515. Операционные системы: управление файлами и файловые системы 28.5 KB
  Файловая система NTFS. Файл в системе NTFS – это не просто линейная последовательность байтов как в системе FT. Отличительными свойствами ФС NTFS являются: Поддержка больших файлов и больших дисков объемом до 264 байт. Структура тома раздела NTFS: Все пространство тома NTFS представляет собой либо файл либо часть файла.
78516. Основные характеристики и особенности организации современных операционных систем 26.5 KB
  Типы ОС: общие специальные и специализированные бортовой автокомпьютер CISCO – управление коммутаторами и маршрутизаторами Общая характеристика Windows XP. Windows XP объединяет в себе лучшие качества предыдущих версий Windows: надежность стабильность и управляемость – от Windows 2000 простой и понятный интерфейс а также технологию Plug Ply – от Windows 98. В Windows XP появился новый более эффективный интерфейс пользователя включающий новые возможности группировки и поиска документов новый внешний вид возможность быстрого...
78517. Основные задачи системного администрирования и их практическая реализация 33 KB
  Важнейшей сферой профессиональной деятельности специалистов в области информационных технологий является управление администрирование функционированием ОС как отдельных компьютеров так и их групп объединенных в вычислительные сети. Системное администрирование в общем случае сводится к решению следующих основных задач: управление и обслуживание пользователей вычислительной системы – создание и поддержка учетных записей пользователей управление доступом пользователей к ресурсам; управление и обслуживание ресурсов вычислительной системы –...
78518. Понятие, назначение и основные принципы организации распределенной обработки информации. Архитектура, свойства и характеристики распределенных систем 29.5 KB
  Понятие назначение и основные принципы организации распределенной обработки информации. Под распределенной обработкой информации понимается комплекс операций с информацией проводимый на независимых но связанных между собой ВМ предназначенных для выполнения общих задач. Возможность взаимодействия вычислительных систем при реализации распределенной обработки информации определяют как их способность к совместному использованию данных или к совместной работе с использованием стандартных интерфейсов. Целью распределенной обработки информации...
78519. Концепции и механизмы практической реализации распределенной обработки информации 27 KB
  Концепции и механизмы практической реализации распределенной обработки информации. Одним из исторически первых механизмов реализации распределенной обработки информации является механизм удаленного вызова процедур RPC который поддерживает синхронный режим коммуникаций между двумя прикладными модулями клиентом и сервером. RPC реализует в распределенной среде принципы традиционного структурного программирования. Применение объектно-ориентированного подхода способствует значительному усовершенствованию механизмов организации распределенной...
78520. Эволюция технических средств в обработке информации. Классификация, структурное построение и основные параметры вычислительных машин 28 KB
  Классификация структурное построение и основные параметры вычислительных машин. Предшественниками вычислительных машин были механические и электромеханические счетные устройства. Эта машина во многом была прообразом современных универсальных вычислительных машин. Лебедевым независимо от фон Неймана были сформулированы более детальные и полные принципы построения электронных цифровых вычислительных машин которые были применены при создании первых отечественных разработок ВМ Первый период 19451955.
78521. Основные аппаратные составляющие и перифирийные устройства компьютеров, их назначение, типы, принципы функционирования и характеристики 33 KB
  Процессор является основным вычислительным устройством ВМ в задачу которого входит исполнение находящейся в памяти машины программы. Процессор является основным вычислительным узлом ПК в задачу которого входят исполнение находящейся в памяти программы. сам по себе процессор и остальные элементы контроллеры памяти интерфейсы шины КЭШ память...
78522. Вычислительные системы: общие понятия, классификация, структурные схемы, характеристики 159.5 KB
  Одним из эффективнейших направлений развития вычислительной техники стало построение так называемых многомашинных вычислительных систем ММВС Принципиальным отличием ММВС от многопроцессорных ВМ является то что входящие в состав ММВС отдельные ВМ или и отдельные так называемые вычислительные модули ВМод включающие центральный процессор основную память интерфейсное устройство и возможно дисковую память имеют свою собственную основную память. Вычислительные машины или и вычислительные модули связываются между собой посредством...