ŽILINSKÁ UNIVERZITA V ŽILINE MATEMATICKÝ MODEL ADSL KANÁLA

Transcript

1 ŽILINSKÁ UNIVERZITA V ŽILINE Elektrotechnická fakulta Katedra telekomunikácií MATEMATICKÝ MODEL ADSL KANÁLA MILAN BOBEK 2006

2 Matematický model ADSL kanála DIPLOMOVÁ PRÁCA MILAN BOBEK ŽILINSKÁ UNIVERZITA V ŽILINE Elektrotechnická fakulta Katedra telekomunikácií Študijný odbor: TELEKOMUNIKÁCIE Vedúci diplomovej práce: doc. Ing. Milan Trunkvalter, PhD. Stupeň kvalifikácie: inžinier (Ing.) Dátum odovzdania diplomovej práce: ŽILINA 2006

3 Abstract BOBEK, Milan: Matematický model ADSL kanála [Diplomová práca]. Žilinská univerzita v Žiline. Elektrotechnická fakulta; Katedra telekomunikácií. Školiteľ: doc. Ing. Milan Trunkvalter, PhD. Stupeň odbornej kvalifikácie: inžinier (Ing.). Žilina: EF ŽU, s. Diplomová práca sa venuje základným otázkam funkcie systému ADSL, multimediálnymi službami, ktoré tento systém umožňuje a možnom vývoji do budúcna. Zaoberá sa popisom signálu v tomto systéme, použitej DMT modulácii, QAM modulácii a tiež FDM a OFDM multiplexu. V ďalšej časti sa venuje nepriaznivým a rušivým vplyvom pôsobiacim na metalické vedenia, ktoré nepriaznivo ovplyvňujú prenosovú rýchlosť v ADSL kanáli. Najnepriaznivejšie vplyvy sú hlavne útlm vedenia, presluchy na blízkom a vzdialenom konci. Rozoberá problematiku vplyvu odstupu signál/šum, tzv. SNR, na rýchlosť prenosu a časovú odozvu. Jednotlivé vzťahy sú následne odsimulované v programe MATLAB a priebehy znázornené graficky.

4 Žilinská univerzita v Žiline, Elektrotechnická fakulta, Katedra telekomunikácií ANOTAČNÝ ZÁZNAM - DIPLOMOVÁ PRÁCA Priezvisko, meno: Milan Bobek školský rok: 2005/2006 Názov práce: Matematický model ADSL kanála Počet strán: 44 Počet obrázkov: 17 Počet tabuliek: 3 Počet grafov: 4 Počet príloh: 6 Použitá lit.: 22 Anotácia (slov. resp. český jazyk): Táto diplomová práca popisuje problematiku funkcie systému ADSL, multimediálne služby, ktoré systém umožňuje. Obsahuje popis signálu v tomto systéme, použitej DMT modulácie, QAM modulácie a tiež FDM a OFDM multiplexu. V ďalšej časti sa zaoberá nepriaznivým a rušivým vplyvom pôsobiacim na metalické vedenia, ktoré nepriaznivo ovplyvňujú prenosovú rýchlosť v ADSL kanáli. Rozoberá problematiku vplyvu odstupu signál/šum, tzv. SNR, na rýchlosť prenosu a tiež k časovej odozve. Vzťahy sú odsimulované v programe MATLAB a znázornené graficky. Anotácia v cudzom jazyku (anglický resp. nemecký): ): This diploma work describes the problematic of ADSL system function, multimedial services that system enables. It contains descriptions of signal in this system, used DMT modulation, QAM modulation and also FDM and OFDM multiplex. Further part of work deals with negative and disturbing effect affecting metalic wiring, which negatively affects transfer rate in ADSL channel. Work analyzes the signal/noise ratio problematic, so-called SNR, affecting transfer rate and also time response. Relations are simulated in MATLAB programme and graphically represented. Kľúčové slová: ADSL, SNR, DMT, OFDM, útlm vedenia, NEXT, FEXT, časová odozva Vedúci práce: doc. Ing. Milan Trunkvalter, PhD. Recenzent práce: doc. Ing. Martin Vaculík, PhD. Dátum odovzdania práce:

5 Obsah ZOZNAM OBRÁZKOV... I ZOZNAM SKRATIEK...II 1. ÚVOD CIEĽ RIEŠENIA ADSL, ÚVOD, SÚČASNÝ STAV TECHNOLÓGIA DSL PRINCÍPY ČINNOSTI TECHNOLÓGIE ADSL Klasická telefónna linka Služby potrebné na fungovanie ADSL ROZHRANIA SYSTÉMU ADSL STAV METALICKÝCH VEDENÍ NA SLOVENSKU ŠTANDARDY ADSL DSL A ŠIROKOPÁSMOVÉ MULTIMEDIÁLNE SLUŽBY VÝVOJ TECHNOLÓGIE ADSL NA SLOVENSKU Vývoj počtu zákazníkov DSL Vývoj dostupnosti DSL ROZVOJ POUŽÍVANIA TECHNOLÓGIE ADSL VO SVETE MODEL ČASOVÝCH PARAMETROV V ADSL PROSTREDÍ VZŤAHY VO FREKVENČNEJ A ČASOVEJ OBLASTI, DMT MODULÁCIA AMPLITÚDOVO-FÁZOVÁ MODULÁCIA QAM ORTOGONÁLNY FREKVENČNÝ MULTIPLEX OFDM URČENIE HODNOTY SNR PRE BEZPEČNÝ PRENOS UŽITOČNÉHO SIGNÁLU ECHOKOMPENZÁCIA RUŠIACE VPLYVY V ADSL VONKAJŠIE RUŠIVÉ VPLYVY Impulzné rušenie Vysokofrekvenčné rušenie RFI VNÚTORNÉ RUŠIVÉ VPLYVY Aditívny biely šum...27

6 5.3 ZHRNUTIE ŠUMOV PRESLUCH TYPU NEXT A FEXT PARAMETRE SYMETRICKÝCH PÁROV VZŤAH SNR K RÝCHLOSTI Útlm vedenia Celkový šum Prevod PSD na L m na vysielacej strane Útlm presluchu A NEXT, A FEXT Úrovne signálu L m na prijímacej strane Prevod úrovne L m na výkon P Alokácia bitov Prenosová rýchlosť VZŤAH SNR K ČASOVEJ ODOZVE ZÁVER POUŽITÁ LITERATÚRA...42 ČESTNÉ VYHLÁSENIE...43 POĎAKOVANIE...44

7 Zoznam obrázkov Obrázok 3.1 Jednoduchá schéma rozbočovača (spllitera)...4 Obrázok 3.2 Schéma ADSL systému...6 Obrázok 3.3 Rozhrania systému ADSL...7 Obrázok 3.4 Frekvenčné spektrum systému ADSL...8 Obrázok 4.1 Všeobecný harmonický signál...13 Obrázok 4.2 Konštelačná schéma...15 Obrázok 4.3 Frekvenčný multiplex...16 Obrázok 4.4 Rozhodovacia oblasť bez rušenia...19 Obrázok 4.5 Vplyv rušenia na rozhodovaciu oblasť...20 Obrázok 4.6 Modulačná schéma amplitúdovo-fázovej modulácie...22 Obrázok 4.7 Vidlica s potlačením ozveny...24 Obrázok 5.1 Grafické znázornenie presluchov v metalickom kábli :...29 Obrázok 5.2 Výsledky modelovania primárnych (R, L) a sekundárnych (α, β) parametrov vedenia v programe MATLAB pre 0.4 mm TCEPKFLE podľa modelu BT7 :...32 Obrázok 5.3 Grafická závislosť prenosovej rýchlosti od dĺžky kábla (downstream)...36 Obrázok 5.4 Grafické rozmiestnenie počtu prenesených bitov v jednotlivých subkanálov z programu MATLAB pre 1 km dĺžku kábla...36 Obrázok 5.5 Graf fázovej doby šírenia t f [s] pre 3 rôzne dĺžky kábla (výstup z programu MATLAB)...38 Obrázok 5.6 Zobrazenie SNR(f) a alokácie bitov v jednotlivých subkanáloch (namerané)...38 I

8 Zoznam skratiek AAA Authentication, Authorization, Overenie, oprávnenie a zúčtovanie Accounting ADSL Asymmetric Digital Subscriber Line Asymetrická dátová digitálna linka ATM Asynchronous Transfer Mode Asynchrónny spôsob prenosu ATU-R ADSL Termination Unit-Remote ADSL jednotka (modem) ATU-C ADSL Termination Unit Central Office ADSL jednotka (DSLAM) AWGN Additive White Gaussian Noise Aditívny biely Gaussov šum BA Basic Access Základný prístup (najmä pri ISDN) BRAS Broadband Access Server Širokopásmový prístupový server BT British Telecom Britský telekomunikačný operátor CRC Cyclic Redundant Code Cyklický redundantný kód pre zabezpečenie správy proti chybám DIAL-UP DIAL-UP Vytáčavé pripojenie do Internetu pomocou analógovej telefónnej linky DFT Discrete Fourier Transform Diskrétna Fourierova transformácia DMT Discrete MultiTone Mnohostavová modulácia oddelených frekvencií DSLAM Digital Subscriber Line Access DSL prístupový multiplexor Multiplexer EC Echo Cancelation Potlačenie ozveny EMC Electro-Magnetic Compatibility Elektromagnetická kompatibilita FEC Forward Error Correction Dopredná korekcia chýb FEXT Far End crosstalk Presluch na vzdialenom konci FIR Finite Impulse Response Filter s konečnou impulzovou odozvou FFT Fast Fourier Transform Rýchla Fourierova transformácia FDM Frequency Division Multiplexing Frekvenčne delený multiplex HDSL High bit-rate DSL Vysokorýchlostné DSL IDFT Inverse Discrete Fourier Transform Spätná diskrétna Fourierova transformácia IFFT Inverse Fast Fourier Transform Spätná rýchla Fourierova transformácia ISDN Integrated Services Digital Network Digitálna sieť integrovaných služieb II

9 ISP Internet Service Provider Poskytovateľ internetových služieb L2TP Level Two Tunneling Protocol Tunelovací protokol úrovne č.2 LAN Local Area Network Lokálna počítačová sieť LW Long Wawe Dlhé vlny MoD Music on Demand Hudba na požiadanie MW Medium Wave Stredné vlny NEXT Near End crosstalk Presluch na blízkom konci NM Noise Margin Šumová rezerva-konštanta OFDM Orthogonal Frequency Division Multiplexing Združenie signálov - ortogonálne frekvenčne delený mutiplex POTS Plain Old Telephone Service Analógová telefónna služba PSD Power Spectral Density Výkonová spektrálna hustota QAM Quadrature Amplitude Modulation Amplitúdovo-fázová modulácia RFI Radio Frequency Interference Vysokofrekvenčné rušenie SG Shannon Gap Shannonova medzera SNR Signal to Noise Ratio Odstup signál/šum ST Slovak Telecom Slovenský telekomunikačný operátor STM Synchronous Transport Module Synchrónny transportný modul UADSL Universal ADSL Zjednodušené ADSL USB Universal Serial Bus Univerzálna sériová zbernica VDSL Very High Data Rate DSL Veľmi vysokorýchlostné DSL VoD Video on Demand Video na požiadanie III

10 1. Úvod Pevné telefónne linky, založené na použití metalického prenosového média, sú vybudované. Používajú sa najmä na telefonovanie. Avšak popri telefonovaní sa z nich dá vyťažiť aj niečo iné. Ide o prenos dát. Už v minulosti sa objavovali riešenia, založené na princípe preloženia pásma. Postupne sa prešlo od klasického vytáčavého pripojenia, tzv. DIAL UP, cez ISDN až k systému ADSL, ktorý dosahuje podstatne vyššie prenosové rýchlosti. Internet v súčasnosti ponúka veľmi veľa možností najmä v oblasti vzdelávania, podnikania, komunikácie ale aj zábavy. Je vynikajúcim prostriedkom, ktorý umožňuje zrealizovať alebo vybaviť čoraz viac dôležitých administratívnych vecí aj bez osobného kontaktu s úradmi a inštitúciami, čo šetrí hlavne čas, ktorý je v dnešnej uponáhľanej dobe čoraz dôležitejší. Aj preto je potrebné mať spoľahlivé a rýchle pripojenie k sieti Internet, ktoré systém ADSL vie ponúknuť. ADSL technológia má veľký význam a teší sa veľkej obľube, pričom na Slovensku neustále pribúdajú lokality, kde je možné ADSL zaviesť. Práca sa venuje pohľadu na systém ADSL z teoretického hľadiska, so zameraním na prenosové médium, ktorým je metalický krútený pár, jeho parametre a vplyvy, ktoré ovplyvňujú prenosovú rýchlosť. 1

11 2. Cieľ riešenia Matematický model ADSL kanála: ADSL úvod, súčasný stav. Podrobnejšie opis tejto technológie, princípy činnosti, rozhrania systému, multimediálne služby, ktoré poskytujú provideri, rozšírenie a dostupnosť ADSL na Slovensku i vo svete. Model časových parametrov v ADSL prostredí, konverzia signálu z časovej do frekvenčnej oblasti a späť, vzťahmi v časovo-frekvenčnej oblasti. Podrobnejší pohľad hlavne na DMT moduláciu, QAM moduláciu, OFDM multiplex jednotlivé vzťahy a spektrum signálov. Model vzťahu SNR k prenosovej rýchlosti, k časovej odozve. Príčiny, ktoré ovplyvňujú rýchlosť v ADSL a ich dôsledky. Najmä vplyv jednotlivých rušivých elementov, ako sú tlmenie, presluchy, oneskorenie vplyvom rôznej fázovej doby šírenia, interferencie. Ďalej grafické znázornenie dôležitých veličín, v závislosti od rôznych podmienok a parametrov. 2

12 3. ADSL, úvod, súčasný stav 3.1 Technológia DSL DSL (Digital Subsriber Line) je technológia, ktorá využíva klasickú bežnú telefónnu linku na vysokorýchlostný dátový prenos, resp. umožňuje rýchly prístup do siete Internet. Na Slovensku je používaná ADSL (asymmetric DSL), pre ktorú je typická asymetrická prenosová rýchlosť. Znamená to, že v smere od poskytovateľa služby k užívateľovi (tzv. downstream) je prenosová rýchlosť vyššia ako v smere od užívateľa (tzv. upstream). A-asymmetric - dáta sa prenášajú v závislosti od smeru v rôznych rýchlostiach, pričom dáta k užívateľovi sa prenášajú rýchlejšie ako dáta od užívateľa D-digital - používaná technológia pre prenos dát je digitálna S-subscriber - služba je poskytovaná na linke, ktorú si zákazník predplatil (objednal) a platí ju mesačným paušálom L-line - služba je poskytovaná prostredníctvom telefónnej linky Technológia DSL je riešením pre aplikácie, ktoré si vyžadujú vysokú rýchlosť prenosu dát. K takýmto aplikáciám patrí napríklad vysokorýchlostný prístup do internetu, rýchle dátové prenosy zo servera, vzdialený prístup k sieti LAN, video aplikácie a videokonferencie, vzdelávanie na diaľku, online hry, rýchle sťahovanie mp3 a pod. Okrem ADSL sú vo svete známe aj iné druhy technológie DSL, napr: SDSL, VDSL, HDSL atď. 3.2 Princípy činnosti technológie ADSL Technológia DSL zabezpečuje prenos hlasu a dát na tej istej telefónnej linke. To znamená, že je možné telefonovať a zároveň využívať služby Internetu. Jednotlivé signály sa šíria v rôznych frekvenčných pásmach, a tak sa navzájom neovplyvňujú. Na prenos dát prostredníctvom technológie DSL je potrebná zložitá infraštruktúra. Na strane zákazníka je potrebné nainštalovať dve zariadenia: modem a splitter. DSL modem zabezpečuje spojenie počítača a DSL prístupu. 3

13 Splitter (rozbočovač) zabezpečuje rozdelenie frekvenčných pásiem na pásmo hlasové a pásmo pre DSL. Splitter je zariadenie, ktoré oddeľuje hlasový signál od DSL signálu. Bez splitteru pripojenie cez DSL nebude fungovať. Obrázok 3.1 Jednoduchá schéma rozbočovača (spllitera) Klasická telefónna linka Pevné telefónne účastnícke linky mali pôvodné určenie pre frekvenčný rozsah 300 až 3400 Hz. Do tohto rozsahu bolo možné implementovať modem, fax s dvoma pracovnými frekvenciami 1300 Hz a 2100 Hz alebo dátový vytáčavý prenos DIAL-UP. Postupný vývoj klasickej telefónnej linky umožnil vznik integrovaných služieb ISDN (základný prístup BA 2x64 kbit/s). Vznikla myšlienka prenosu digitálneho signálu cez túto účastnícku linku rýchlosťou rádovo Mbit/s. Avšak s ohľadom na vlastnosti metalického vedenia, najmä jeho sekundárneho parametra - merného útlmu α sa táto myšlienka javila ako utópia. Hodnoty tlmenia kábla v oblasti 1,1 MHz sa pohybujú okolo 40 db. Odstupy signálu od šumu (SNR) sú tu tiež malé. Všetky tieto negatívne vlastnosti musí vlastné ADSL zariadenie vykompenzovať Služby potrebné na fungovanie ADSL Na fungovanie systému DSL sú potrebné 2 služby: a.) Prístup DSL - umožňuje ju poskytovateľ telekomunikačnej infraštruktúry, napr. Slovak Telekom (T-Com), ako službu ST DSL. Prístup je nevyhnutný na využívanie služby pripojenia do Internetu. 4

14 b.) Služba DSL pripojenia do internetu - zabezpečuje zákazníkovi pripojenie do siete internet. Poskytuje ju IPS provider, napr. Slovak Telekom, Nextra atď. V súčasnosti sa však trend v poskytovaní pripojenia pomocou ADSL uberá k zlúčeniu týchto služieb ponúkaním služby, v ktorej sú už obe zahrnuté. Signály z DSL modemov sa koncentrujú na strane telekomunikačného operátora na DSLAM (Digital Subscriber Line Access Multiplexer). Ďalej je signál smerovaný cez ATM sieť (Asynchronnous Transfer Mode) do BRASu (Broadband Access Server), kde sa zákazníci jednotlivých ISP (Internet Service Provider) nasmerujú cez L2TP Level Two Tunneling Protocol tunel k danému poskytovateľovi prístupu do siete Internet. BRAS je zariadenie, do ktorého sa smerujú zákazníci z DSLAMov. BRAS ich na základe informácii v prihlasovacom mene posiela prostredníctvom L2TP do siete jednotlivých ISP. Prihlasovacie meno je v tvare menozakaznika@domenaisp.sk. Jednotlivými poskytovateľmi môžu byť napríklad Nextra, Slovanet, T-Com atď. Autentifikáciu, t.j. overenie zákazníka pomocou prihlasovacieho mena a hesla, autorizáciu, t.j. pridelenie profilu služby (napríklad prístup do internetu) zabezpečuje AAA server (autentifikačný, autorizačný a accountingový server) jednotlivých ISP. Na základe tohto procesu je zákazníkovi prístup do Internetu povolený alebo zamietnutý. Tento server tiež zbiera informácie potrebné k fakturácií za poskytnuté služby. 5

15 PC verejná telekomunikačná sieť analógový resp. ISDN telefón ATM sieť DSLAM R R ADSL modem PC optické vlákno rozbočovač Obrázok 3.2 Schéma ADSL systému medený účastnícky pár rozbočovač 3.3 Rozhrania systému ADSL K-2 analógové rozhranie na strane účastníka, fyzicky je zakončené na telefónnej zásuvke s konektorom RJ11 T-R rozhranie medzi ADSL prístupom a koncovým zariadením účastníka, fyzicky je zakončené na ADSL modeme ATU-R, presnejšie na konektore RJ45 (pre Ethernet a ATM) resp. USB-B (pre pripojenie cez USB) T/S rozhranie medzi T-R a koncovým prostredím zákazníka, teda ak to nie je iba koncové zariadenie, napr. sieť LAN U KO digitálne rozhranie medzi rozbočovačom a koncovým ISDN zariadením, ukončené v zásuvke RJ11 U-C 2 rozhranie medzi a jednotkou ATU-C, nachádza sa vo vnútri DSLAMu, horný priepust U-C rozhranie na vstupe metalickej siete do prístupového uzla ADSL, obsahuje celé frekvenčné pásmo U-R rozhranie medzi koncom metalického vedenia k prístupu k jednotke ATU-R U-R 2 rozhranie medzi rozbočovačom a ADSL modemom ATU-R, fyzicky zakončené v zásuvke RJ11 na rozbočovači V digitálne rozhranie na vstupe do ústredne Z analógové účastnícke rozhranie STM-x elektrické alebo optické rozhranie k širokopásmovej chrbticovej sieti 6

16 Obrázok 3.3 Rozhrania systému ADSL 3.4 Stav metalických vedení na Slovensku Až viac ako 90% všetkých telefónnych bytových staníc na Slovensku je pripojených pomocou skrúcaných medených párov. Tieto metalické vedenia zostanú pravdepodobne ešte dlhší čas požívané, pretože sa do nich investovalo značné množstvo finančných prostriedkov a sú ešte schopné prevádzky dlhšiu dobu. V účastníckej prístupovej sieti sa používajú rôzne typy medených káblov s rôznou formou izolácie, rôznymi priemermi žíl počtom párov v jednom kábli. Využívajú sa hlavne miestne oznamovacie káble s izoláciou z polyetylénu TCEPKPFLE s menovitými priemermi jadier 0,4 mm až 0,9 mm. Základným stavebným prvkom je krížová štvorka vytvorená stočením 4 žíl. Tieto krížové štvorky sú ďalej stáčané do jednotiek resp. podskupín, ktoré obsahujú 5 krížových štvoriek. Ďalším stáčaním týchto podskupín vzniká káblová duša. Zväčša sa jedná o úložné (podzemné) káblové vedenia, najmä v mestách, ale tiež sú aj závesné (nadzemné) vedenia, vyskytujúce sa v menších obciach. 7

17 3.5. Štandardy ADSL Existuje 5 štandardov ADSL: a.) ADSL s klasickou analógovou telefónnou linkou. V tomto prípade je potrebné použiť rozbočovač (splitter), ktorý umožňuje súčasný prenos ADSL signálu a analógového telefónneho signálu. Rozbočovač je vlastne frekvenčná výhybka. [ITU-T G (G.DMT); ANSI T1.413 issue 2 Annex A] b.) ADSL so základným prístupom ISDN. Aj v tomto prípade je potrebný rozbočovač na umožnenie súčasného prenosu ADSL signálu spolu s digitálnym signálom základného prístupu ISDN. [ANSI T1.413 issue 2 Annex B] c.) Zjednodušený ADSL prístup bez rozbočovača (UADSL) s prenosovou rýchlosťou 1,5 Mbit/s pre downstream a 512 kbit/s pre upstream. [ITU-T G (G.LITE)] d.) ADSL 2 využíva celé frekvenčné pásmo na prenos ADSL signálov bez vyhradenia pásma na prenos anológového alebo digitálneho hovorového signálu. Hovorové signály sú zabalené do paketov prenášaných cez ADSL.. [ITU-T G.992.3, G.992.4] e.) ADSL 2 + čistý ADSL spoj, ktorý využíva 2 frekvenčné pásma smerom k účastníkovi. [ITU-T G.992.5] Obrázok 3.4 Frekvenčné spektrum systému ADSL 8

18 3.6 DSL a širokopásmové multimediálne služby Medzi najväčšie výhody, ktoré technológia adsl ponúka oproti, v súčasnosti ešte stále najrozšírenejšiemu pripojeniu v domácnostiach na Slovensku, vytáčavému spojeniu DIAL-UP, patrí neporovnateľne väčšia prenosová rýchlosť, možnosť súčasne uskutočňovať telefónny hovor a byť pripojený k sieti internet. Ďalej to, že DSL pripojenie sa nespoplatňuje podľa dĺžky pripojenia a umožňuje množstvo multimediálnych služieb. Medzi nevýhody DSL však patrí hlavne obmedzenie prístupu na lokalitu, v ktorej je infraštruktúra DSL poskytovaná z dôvodu tlmenia prenosového metalického vedenia a tiež to, že rýchlosť pripojenia nemusí byť počas celej dĺžky spojenia stabilná. Systém ADSL poskytuje veľkú škálu rôznych služieb, napr.: Video on Demand (VoD). Video on Demand funguje ako virtuálna videopožičovňa. Zákazník si z pohodlia domova nájde a vyberie požadovaný program na internetovej stránke poskytovateľa služby VoD a môže ho sledovať v plnej kvalite priamo na monitore svojho počítača. Musicon Demand (MoD) Music on Demand funguje na rovnakom princípe ako Video on Demand, s tým rozdielom, že nákupným artiklom je pri tejto službe hudba. Online gaming Hranie sieťových hier cez Internet so skutočnými protihráčmi. Sledovanie TV vysielania Aby bolo možné pozrieť si správy, predpoveď počasia či iný televízny program, nie je potrebné mať klasickú anténu alebo káblovú TV. Rovnaké možnosti ponúka aj Internet. Televízie ponúkajúce túto službu a širokopásmové DSL pripojenie umožnia sledovanie zvoleného programu.. Môže ísť pritom o dva rôzne druhy vysielania: : a) nepretržité vysielanie, ku ktorému sa dá pripájať priebežne, t.j. sleduje sa zvolený program od momentu pripojenia tak, ako je to bežné pri televíznom vysielaní.. b) vysielanie na požiadanie - vysielanie programu sa začne až v tom momente, keď oň požiada zákazník, t.j. rovnako ako v prípade služby Video on Demand 9

19 Telekonferencie Stretnutia s obchodnými partnermi sú často spojené s mnohými výdavkami. K nákladom na dopravu, ubytovanie a stravu treba prirátať aj cenu času strateného cestovaním. Prostredníctvom technológie DSL a zariadenia na telekonferenčné služby je možné realizovať konferencie na diaľku a diskutovať s obchodnými partnermi, akoby boli všetci v jednej miestnosti. Odpadá zdĺhavé organizovanie stretnutia, presúvanie termínov počas doby mimo pracoviska a cestovanie na miesto stretnutia. Teleworking Vývoj smeruje k tomu, že práca, pri ktorej sa využívajú počítače (programovanie, grafické štúdiá, vzdialené spravovanie zákazníckych počítačov a pod.) bude môcť byť celá vykonávaná z domu. DSL s vysokorýchlostným prenosom dát umožňuje pripojenie k podnikovej sieti, vzájomnú komunikáciu pracovníkov a zdieľanie a prenos dokumentov. 3.7 Vývoj technológie ADSL na Slovensku Širokopásmové pripojenie technológiou DSL na Slovensku uskutočnili prvýkrát v júni 2002 vtedajšie Slovenské Telekomunikácie pod označením testovacia prevádzka DSL. Ešte v júni však Protimonopolný úrad SR rozhodol o zastavení tejto testovacej prevádzky. K opätovnému spusteniu DSL na Slovensku prišlo v júni 2003, s novým veľkoobchodným modelom medzi ST a alternatívnymi ISP, ktorý je platný aj v súčasnosti Vývoj počtu zákazníkov DSL DSL sa na Slovensku rozbiehalo pomerne pomaly. 20. júna 2003 evidovali ST 470 žiadostí o zriadenie DSL pripojenia, počet skutočne zriadených prípojok bol 160. Po takmer troch mesiacoch prevádzky, 18. augusta, to bolo len 1500 žiadostí a 1070 zriadených liniek.. Teda za polrok 2003 začalo využívať DSL celkovo približne 4200 zákazníkov. V roku 2004 pribudlo cca nových zákazníkov a DSL sa výrazne začalo dariť v roku 2005, keď pribudlo približne zákazníkov (počet zákazníkov rástol takmer 10

20 konštantne a síce 5000 nových zákazníkov mesačne) a ku koncu roku 2005 ich bolo takmer Znamená to, že za rok 2005 došlo k nárastu DSL prípojok až o 158% (z 38 tisíc na cca 98 tisíc). Údaje sú z konca roku [1] Rok Nových zákazníkov Celkovo zákazníkov Tabuľka 3.1 Počet zákazníkov DSL služby V súčasnosti (marec 2006) Slovak Telekom eviduje zákazníkov využívajúcich pripojenie technológiou DSL Vývoj dostupnosti DSL Prvý číselný údaj o počte obyvateľov Slovenska, ktorým je DSL dostupné, zverejnila spoločnosť k 1. júnu Bolo to 2,1 milióna obyvateľov. Väčšie skoky v udávanej dostupnosti sa odohrali medzi a a to z 2,7 na 2,9 milióna a medzi a z 3,15 na 3,45 milióna. Za druhý polrok 2004 pribudlo pokrytie celkovo približne 800 tisíc obyvateľov, v prvej polovici roku 2005 približne 700 tisíc obyvateľov.. Odvtedy sa počet obyvateľov, ktorým je DSL dostupné, prakticky nezvyšuje, keď ST stále udáva približne 3,8 milióna obyvateľov. To je približne 70% populácie Slovenska. Zaujímavosťou je tzv. špeciálny režim. Znamená to, že v niektorých lokalitách, kde sú použité staršie káble, je možnosť pripojenia na DSL len v obmedzenej forme, t.j., že užívateľovi sú k dispozícii len programy s nižšou rýchlosťou. 3.8 Rozvoj používania technológie ADSL vo svete V roku 2005 pribudlo spolu vo svete celkom 41 miliónov nových DSL prípojok, celkový počet sa tak vyšplhal na konci roku 2005 na 138,8 milióna.. Počet DSL prípojok sa tak zvýšil o 42%, DSL prípojky pribúdali priemernou rýchlosťou 800 tisíc za týždeň.. Najviac DSL prípojok podľa regiónov je v Európskej únii, až 48,2 miliónov, čo predstavuje 34% celosvetového počtu. Nasleduje región Pacifická Ázia s 21%, Juhovýchodná Ázia s 20% a Severná Amerika so 16%. V roku 2005 sa počet prípojok v 11

21 EÚ zvýšil o 16,7 miliónov.. Najväčší percentuálny nárast u regiónov bol dosiahnutý na Strednom Východe a v Afrike 112,5% a v Latinskej Amerike.. Celkovo už 20 krajín má viac ako milión DSL prípojok, v popredí sú Čína s 26,4 miliónmi pred USA s 18,8, Japonskom so 14,5 a Nemeckom s 10,4 miliónmi.. Najväčší nárast spomedzi krajín bol dosiahnutý v Indii, ČR, Rusku, Thajsku, Malajzii, Novom Zélande a Venezuele, všade o viac ako 80%.. Najväčšiu penetráciu (pomer DSL prípojok na 100 obyvateľov) DSL majú vo Fínsku a to až neuveriteľných 32,1 DSL prípojok na 100 telefónnych liniek. Nasleduje Južná Kórea s 28.1 a Taiwan s 27,9.. 12

22 4. Model časových parametrov v ADSL prostredí 4.1 Vzťahy vo frekvenčnej a časovej oblasti, DMT modulácia Ak potrebujeme cez vedenie preniesť prvotný digitálny signál s bitovou hustotou (prenosovou rýchlosťou) v p [bit/s], je potrebné preniesť aspoň jeho základnú harmonickú frekvenciu f 1, ktorá sa rovná prenosovej rýchlosti. Potom vyžadovaná šírka pásma je 0 až f 1. Pri prenose dátových tokov s hustotou rádovo desiatok Mbit/s je to pásmo s frekvenciou siahajúcou až do oblasti desiatok MHz. Pri vysokých frekvenciách (rádovo v MHz) však metalické vedenie už vykazuje neprijateľne veľké tlmenie ako aj zvlnenie amplitúdovej frekvenčnej charakteristiky. To má za následok nízku úroveň signálu a jeho útlmové a fázové skreslenie, čo znemožňuje prenos signálu. Úlohou viacstavovej modulácie oddelených frekvencií (nosných tónov) DMT je preniesť požadovaný objem dátového toku pri podstatne užšej šírke prenosového pásma. Je to práve tento spôsob modulácie, ktorý sa používa v technológii ADSL. DMT modulácia obsahuje 2 operácie: 1. amplitúdovo-fázovú (kvadratúrne amplitúdovú) moduláciu QAM harmonických (nosných) frekvencií. 2. združenie modulovaných nosných tónov na spoločný prenosový prostriedok ortogonálnym frekvenčným multiplexom OFDM. Pretože nositeľmi informácie v technológii ADSL sú modulované analógové harmonické signály, pri opise vyjdeme z matematickej predstavy takéhoto signálu. I m u(t) B U φ Re 0 A 0 t Obrázok 4.1 Všeobecný harmonický signál Všeobecný harmonický signál je definovaný : u ( t) = U sin( ω 0t + ϕ) (4.1) 13

23 kde U amplitúda, ω 0 opakovacia uhlová frekvencia, φ fáza signálu. Amplitúdy kosínusovej resp. sínusovej časti sú: A=Ucos(φ) časti B=Usin(φ), pričom platí : Potom : 2 U = A + u t) = U sin( ω t + ϕ) = Asinω t + B cosω t = U cos( ϕ)sin( ω t) + U sin( ϕ)cos( ω ) ( t V komplexnom tvare sa vzťah dá napísať ako: u ( t) = Ue B jω ( ω0 ϕ ) 0t jϕ jω j t+ 0t = U e e 2 = Ue (4.2) (4.3) (4.4) Ak teda chceme v harmonickom signáli pri modulácii súčasne ovplyvňovať amplitúdu aj fázu, dokážeme to ovplyvňovaním len amplitúdy a to zvlášť jej sínusovej a zvlášť jej kosínusovej časti. Sčítaním týchto signálov dostaneme na výstupe amplitúdovo aj fázovo modulovaný signál s amplitúdou U a fázou φ. 4.2 Amplitúdovo-fázová modulácia QAM Počet rôznych amplitúdovo-fázových stavov amplitúdovo a fázovo modulovaného signálu môže byť rôzny. Na zakódovanie jednotky informácie 1 bitu potrebujeme 2 1 = 2 modulačné stavy - 1 stav pre logickú 0 a 1 stav pre logickú 1. No napríklad na zakódovanie všetkých kombinácií zoskupenia 4 bitov 0000 až 1111 už potrebujeme 2 4 = 16 rôznych modulačných stavov. Všeobecne na zakódovanie všetkých možných kombinácií zoskupenia b bitov treba M=2 b modulačných stavov. Ak uvažujeme zoskupenie b bitov, potom amplitúdovo-fázový stav prislúchajúci danej kombinácii b -tice bitov, tiež nazývaný aj symbol, sa nemení počas trvania tejto b - tice. Počet zmien stavov za 1 sekundu sa nazýva modulačná rýchlosť v m a prenosová rýchlosť teda v p = v m b. Všeobecne k-ty priebeh amplitúdovo a fázovo modulovaného signálu s trvaním T m =1/v m : uk ( t) = U i sin( ω 0t + ϕ j ) = U i cos( ϕ j )sin( ω0t) + U i sin( ϕ j )cos( ω0t) = Ak sinω0t + Bk cosω0t i=1,2,...i; j=1,2, J (4.5) Každej kombinácii bitov v b -tici prislúcha 1 z 2 b amplitúdovo-fázových modulačných stavov. Každému z týchto stavov prislúcha 1 bod v konštelačnej schéme, ktorý je v komplexnom tvare daný vzťahom : U k = A k + B k = U e i jϕ j (4.6) 14

24 pre počet amplitúd amplitúdovo a fázovo modulačného signálu: I = 1 ( M + M ) 4 2 pre počet fázových stavov rovnakého signálu: J = 4 [ M ( M 1) + 1] (4.7) (4.8) Demodulácia prebieha opačným postupom. Signál u k (t) sa rozdelí a synchronizuje generátorom harmonického priebehu s frekvenciou ω 0. Dostaneme 2 nezávislé signály [2]: y y Ak Bk () t () t U i U i = u( t)sinω 0t = U i sin( ω0t + ϕ j )sinω0t = cosϕ j + [ cos(2ω 0t + ϕ j )] 2 2 y Ak Ak U i () t = + [ cos(2ω 0t + ϕ j )] 2 2 Ui Ui = u( t)cosω 0t = Ui sin( ω0t + ϕ j )cosω0t = sinϕ j + [ + sin(2ω0t + ϕ j )] 2 2 y Bk Bk Ui () t = + [ + sin(2ω 0t + ϕ j )] 2 2 (4.9) (4.10) (4.11) (4.12) Po demodulácii máme A k a B k s polovičnými amplitúdami a nosné signály s dvojnásobnou frekvenciou, ktoré odfiltrujeme dolným priepustom a v meniči signálov kombinácii A k a B k priradíme príslušné zoskupenie bitov. I m B k U i A k Re Obrázok 4.2 Konštelačná schéma 15

25 4.3 Ortogonálny frekvenčný multiplex OFDM Časový priebeh modulovaného signálu [2] : S ( f ) 2 = 3 M M + 1 U 1 f Modulačná frekvencia f m je konštantná 4000 Hz. kde b (0;15) f = 1 bt 2 m m = b π ( f f0) sin f m π ( f f0) f m f b p 2 (4.13) (4.14) Na 1 spoločné vedenie sa N amplitúdovo a fázovo modulovaných frekvencií združí: klasickým frekvenčným multiplexom FDM s analógovým spracovaním signálov ortogonálnym frekvenčným multiplexom OFDM s číslicovým spracovaním signálov s(f) s(f) a.) f b.) f Obrázok 4.3 Frekvenčný multiplex a.) frekvenčný multiplex FDM s neprekrývajúcimi spektrami b.) frekvenčný multiplex OFDM s prekrývajúcimi spektrami 16

26 V klasickom frekvenčnom multiplexe musí byť odstup susedných nosných frekvencií aspoň 2f m aby mohli byť na príjme vydelený analógovými filtrami. Pásmový filter nemá však nekonečnú strmosť a teda jeho priepustné pásmo je 2(f m +Δf)>f m. Číslicové spracovanie signálov umožňuje realizovať ortogonálny frekvenčný multiplex s prekrývajúcimi spektrami, pričom signály sú prijímané bez rušenia zo susedných nosných, teda signály sa vzájomne neovplyvňujú, čo sa dá napísať ako: 1 T 0 ( k + 1) T0 = u 1 kt0 ( t) u 2 ( t) dt = 0 (4.15) kde T 0 je opakovacia perióda Po amplitúdovo-fázovej modulácií QAM N-nosných signálov a po združení do OFDM vznikne DMT signál, ktorý sa v k-tej modulačnej perióde dá napísať vzťahom, ktorý korešponduje so vzťahom uvedeným už skôr: u k N n n n n () t = ut ( t) = U i sin( ω nt+ ϕ j ) = Ak sin( nω0t) + n= 1 N n= 1 N n= 1 N n= 1 n B k cos( nω t) Veľmi dôležité je, aby sa frekvencie nosných signálov líšili v celistvom násobku n ω n =nω 0 0 (4.16) Pri demodulácii v-teho signálu z množiny N modulovaných signálov [2]: v v y y Ak Bk N 1 T ( k + 1) T m m n k () t = uk () t sin( vω 0t) dt =... = [ 1 cos(2vω0t) ] n= 1 N m 1 T kt m ( k + 1) T v A 2T m ( k + 1) T m m n k () t = uk () t cos( vω 0t) dt =... = [ 1+ cos(2vω0t) ] n= 1 m kt m v B 2T m kt m ( k + 1) T kt m dt = dt = v v A 2 2 k B k (4.17) (4.18) Pri ADSL sa frekvencie nosných signálov líšia v celistvých násobkoch. Modulačná rýchlosť je 4000 Bd, takže modulačná perióda je T m nie je celistvým násobkom opakovacej periódy T 0 (T m >T 0 ). Avšak preto, že každému rámcu sa pridáva cyklická prípona, kvôli zamedzeniu zmiešavania informácií z jednej nosnej do inej nosnej frekvencie a medzisymbolovému rušeniu, je splnená aj rovnosť T m =k.t 0. Toto je potrebné k správnej demodulácii signálu. 17

27 Spektrá jednotlivých signálov sa môžu prekrývať a pritom odstup susedných nosných môže byť F=f m, a teda sa šetrí viac ako polovica frekvenčného spektra oproti jednoduchému frekvenčnému multiplexu FDM. V komplexnom tvare je proces modulácie a demodulácie: N N n jn t n n jnω0t u k () t = uk () t = U ke U k = u k () t e dt T n= -N n= -N kt ω 0 (4.19) (4.20) 0 kt0 2 Na moduláciu sa používa spätná diskrétna Fourierova transformácia IDFT (transformuje dáta vo frekvenčnej oblasti z kódera do dát v časovej oblasti), na demoduláciu diskrétna Fourierova transformácia DFT (transformuje dáta z časovej do frekvenčnej oblasti). Použitím rýchlej Fourierovej transformácie FFT (resp. spätnej - IFFT) sa dosiahne použitie rovnakých číslicových obvodov pre prijímač aj vysielač, obsiahnuté v jednom signálnom procesore. Pri QAM modulácii sú dôležité ešte nasledovné skutočnosti: Lepšie rozlíšenie jednotlivých stavov a menšia náchylnosť na rušenie sa dosahuje väčšou vzdialenosťou medzi jednotlivými bodmi v schéme. Čím sú fázové rozdiely medzi stavmi väčšie, tým je väčšia odolnosť voči fázovému chveniu a lepšia obnova synchronizácie s nosnou frekvenciou v prijímači. Čím menší je priemerný vysielací výkon modulačného signálu, tým menej sú rušené iné signály. Čim menšia modulačná rýchlosť, tým je ťažšie ho zasiahnuť iným rušiacim signálom. Pre odstup signál/šum (SNR) platí [2]: 4 1 a SNR = 10 log ( M 1)ln 3 r [db] (4.21) Kde r hranica prípustnej bitovej chybovosti 18

28 4.4 Určenie hodnoty SNR pre bezpečný prenos užitočného signálu Pri vyhodnocovaní rôznych vplyvov a nedokonalostí na prenosovej ceste v rozhodovacom mieste, sa často používa detekčná oblasť. Predstavuje plochu, ktorú vymedzia všetky možné kombinácie signálových prvkov v jednotkovom intervale T 0. Na obrázku 4.4 je vyznačená šrafovane. Sú vyznačené 2 stavy; a 1 =0, a 2 =A s rozhodovacou úrovňou c. U viacstavových modulácii je toľko rozhodovacích oblastí, koľko je úrovní. Ak uvážime prítomnosť aditívneho rušenia s hodnotou r, zmenší sa detekčná oblasť ako je na obrázku 4.5. Dôležitým parametrom je polovičná výška detekčnej oblasti d. Jej veľkosť je ideálne d 0 =A/2. Pri pôsobení šumu je však: d r 1 = A r. (4.22) 2 Ak hodnota rušenia r dosiahne veľkosť r=d 0, potom detekčná hodnota d r bude nulová. Tento medzný prípad teda určuje teoretickú prípustnú (ideálnu) minimálnu hodnotu odstupu hodnoty signálu A od hodnoty rušenia r [3]: A A D0 = 20log = 20log = 6dB (4.23) r A/ 2 Obrázok 4.4 Rozhodovacia oblasť bez rušenia 19

29 Obrázok 4.5 Vplyv rušenia na rozhodovaciu oblasť V reálnych prípadoch sa uplatnia aj ďalšie nedokonalosti, ktoré vedú k zvýšeniu minimálnej prípustnej hodnoty odstupu signálu k rušeniu. Sú to najmä vplyvy: impulzovej interferencie fázovej nestability kolísania výšky impulzu kolísania rozhodovacej úrovne Najdôležitejším faktorom ovplyvňujúcim chybovosť signálu (okrem tlmenia) je odstup signálu od šumu SNR. Zložky rušenia sú detailnejšie popísané na začiatku kapitoly 5. Dáta sú zabezpečené voči chybám viacerými spôsobmi: Tok dát je rozdelený do skupín, ktoré majú rozdielny počet bitov (2 až 15), a týmito sú modulované jednotlivé nosné frekvencie. Ich spektrum je na rôznych miestach celkového frekvenčného spektra ADSL signálu. To, koľko bitov je v jednotlivých skupinách závisí od odstupu signálu od šumu v okolí samotnej nosnej frekvencie. V jednom takte je N -nosných frekvencií modulovaných blokom o dĺžke B bitov (rámcom). Dĺžka rámca je premenlivá a závisí od aktuálneho stavu na prenosovom systéme, ktorý je počas nábehovej procedúry nameraný. 20

30 Modulačná rýchlosť v ADSL je v m =4000 Bd a teda trvanie rámca je 1/4000=0,00025s. Platí, že: B = N b n n= 1 kde b n je počet bitov, modulujúcich n-tú nosnú frekvenciu ( n = 1,2,...N ), a N je počet nosných frekvencií v DMT modulácii. Potom celková prenosová rýchlosť v ADSL je: v p =B.v m (4.24) Odstup signálu od šumu vyjadruje, koľkými bitmi b n má byť modulovaná každá jedna z N-nosných frekvencií. Tento odstup je meraný pre každú nosnú a podľa [2] platí: n a SNR 3. b + 20 [db] (4.25) Pri najmenšom počte bitov, t.j. b n =2, bude najmenší odstup signálu od šumu na jednotlivých nosných frekvenciách 26 db. Bity s najnižším poradovým číslom v rámci, vytvárajú bloky s najmenším počtom bitov, ktoré sú prideľované nosným frekvenciám s najnižším odstupom signál/šum. Naopak, bity s najvyšším poradovým číslom, tvoria bloky s najväčším počtom bitov a priraďujú sa nosným s najväčším odstupom signál/šum. n Ďalšími metódami zabezpečenia sú napr.: Cyklický redundantný CRC kód, ktorý zabezpečuje správy voči chybám. Scramblovanie, t.j. premiešavanie odstrániť dlhé zhluky jednotiek alebo núl a tiež potlačiť periodicky sa opakujúce nenáhodné zložky. Kód s opravou v prenose chýb RS FEC (Reed-Solomonove slovo). Zabezpečuje odolnosť proti náhodným chybám. Schopnosť kódu opraviť chyby závisí od redundancie, má to však za následok zvýšenie oneskorenia a doby prenosu. Treba dosiahnuť vyváženie medzi schopnosťou opraviť chyby a oneskorením. Prekladanie pri dlhších zhlukoch impulzného rušenia. Rámce v rozsahu kódového slova sú ukladané do pamäťových buniek akoby do riadkov v poradí ako prišli ale načítavané sú po stĺpcoch. Algoritmické kódovanie možnosť opravy chyby pri vychýlení signálneho bodu kvadratúrne amplitúdovej modulácie. Trelisové kódovanie V M -stavovej amplitúdovo fázovej modulácii je určitý počet stavov nadbytočných ( navyše ). Teda prijímač si vhodným algoritmom vyberie 21

31 stav, ktorý je najpravdepodobnejší pre b-ticu bitov. Týmto sa dá dosiahnuť zvýšenie SNR až o 2,5 db. Potlačenie ozveny Nemodulovanie nosných tónov, kde je veľmi silné rušenie Obrázok 4.6 Modulačná schéma amplitúdovo-fázovej modulácie 4.5 Synchrónny a asynchrónny prenos Do ADSL systému vstupujú alebo vystupujú dáta, ktoré sa majú preniesť. Systém môže pracovať: V synchrónnom prenosovom režime STM so synchrónnym prenosom bitov V asynchrónnom režime ATM a prenosom ATM buniek Celková prenosová kapacita je rozdelená do 4 jednosmerných kanálov AS0 až AS3 a do 3 obojsmerných kanálov LS0 až LS2. V synchrónnom režime musí ADSL podporovať vo vzostupnom smere aspoň jeden obojsmerný kanál LS0; v zostupnom smere aspoň 1 jednosmerný kanál AS0 a 1 obojsmerný kanál LS0. 22

32 V asynchrónnom režime sa používajú kanály LS0 a LS1 vo vzostupnom smere a kanály AS a AS1 v zostupnom smere. Kanály sú začlenené do dátového toku ATM. Prenosový kanál Rozsah násobkov 32 kbit/s Rozsah prenosovej kapacity [kbit/s] AS AS AS AS LS0 0,5; ; LS LS Tabuľka 4.1 Typy prenosových kanálov Existujú 2 vnútorné prenosové kanály - rýchly (fast) a pomalý (interleaved). Rýchly kanál prenáša dáta s čo najmenším oneskorením (na prenos videa a hlasu), pomalý kanál s vyrovnávacou pamäťou s popresúvanými bitmi vnáša do toku dát oneskorenie (tam kde nezáleží na oneskorení ale požaduje sa menšia chybovosť). Ak sa v ATM využíva len 1 ATM tok, používajú sa len kanály AS0 a LS0 a dáta z ATM toku sú priradené len do pomalého alebo len do rýchleho kanála. Ak sa využívajú toky ATM1 a ATM2, používajú sa kanály AS0, AS, LS0 a LS1 a dáta z ATM tokov môžu byť priradené obom kanálom, t.j. rýchlemu aj pomalému. Teda na jednotlivé nosné frekvencie sú priraďované najprv bity z rýchleho kanála a až potom bity z vyrovnávacej pamäti s prekladaním z pomalého kanála. Takže 1 nosný tón môže obsahovať bity z oboch kanálov. Docieli sa tým, že bity zo súvislej postupnosti sú rozhodené na rôzne nosné frekvencie, čím sa prípadné zhluky chybných bitov rozložia na menšie časti. 4.6 Echokompenzácia Digitálne filtre FIR sa používajú na úpravu prenosovej charakteristiky tak, aby upravený signál mal optimálny tvar a čo najmenšie medzisymbolové rušenie. To sa dosahuje predpovedaním chybovosti signálu. Obvykle sa používa úprava na prijímacej strane, kde sa vyhodnocuje tvar prijímaného signálu a spätným kanálom sa prenáša do vysielača informácia ako sa má nastaviť vysielací korektor. Toto prestavenie korektorov pre prostredie sa robí pri nábehovej procedúre. 23

33 Plne obojsmerný prenos po metalickom páre vedenia sa dá uskutočniť: Frekvenčným oddelením dopredného a spätného smeru. Spektrá toku dát sa neprekrývajú Použitím vidlice s digitálnym potlačením ozveny. Spektrá toku dát sa prekrývajú. Pri oddelení smerov prenosu použitím vidlice s potlačením ozveny sa využíva dôsledok nedostatočného priečneho tlmenia vidlíc na oboch stranách prenosu a toho, že vysielaný symbol sa vysiela do prijímacieho smeru ako ozvena. Táto ozvena je vlastne postupnosť symbolov a tieto sú oneskorené v závislosti od vzdialenosti od miesta vzniku. Má rôzne úrovne podľa tlmenia prenosovej cesty. Digitálne obvody napodobňujú tieto ozveny a odpočítavajú ich od prijímaného signálu. Čiže v podstate ide o napodobnenie postupnosti symbolov s rôznym oneskorením a amplitúdou a odpočítanie od prijímaného signálu. w(t 0 ) vysielaný symbol, r(t n ) prijímaný symbol, Σe(t i ) prijímaná ozvena, δe(t i ) zvyšková ozvena, EC potlačenie ozveny w(t 0 ) Σe * (t i ) r(t n ), δe(t) δe(t)= Σe(t i )- Σe * (t i ) r(t n ), δe(t i ) Obrázok 4.7 Vidlica s potlačením ozveny 24

34 5. Rušiace vplyvy v ADSL Na krútený medený pár pôsobia fyzické a elektrické elementy. Obecne sa rušivé vplyvy dajú rozdeliť do dvoch základných skupín: vonkajšie rušivé vplyvy: impulzné rušenie - impulsive noise vysokofrekvenčné rušenie - RFI (Radio Frequency Interference) vnútorné rušivé vplyvy: presluch na blízkom konci - NEXT (Near End crosstalk) presluch na vzdialenom konci - FEXT (Far End crosstalk) aditívny biely šum - AWGN (Additive White Gaussian Noise) 5.1 Vonkajšie rušivé vplyvy Impulzné rušenie Impulzné rušenie (impulsive noise) má nepravidelný charakter a nie je možné ho predpovedať. Je charakterizované intenzitou impulzu (úrovňou), spektrálnym rozložením, dobou trvania a početnosťou. Rušenie je spôsobené rôznymi zdrojmi, ktoré vytvárajú krátke prechodové javy. Ide napríklad o trakčné systémy rozvodu energie (osvetlenia, domácnosti), kde vplyvom elektrických prepínačov a spotrebičov v sieti vznikajú krátke prechodové javy. Ďalším silným zdrojom impulzného rušenia je telefónna sieť, v ktorej sa stále vyskytujú klasické analógové telefónne prístroje a relé v spojovacích zariadeniach. Relé produkujú krátke prerušenie a analógové telefónne prístroje produkujú napäťové špičky, ktoré sú spôsobené prerušovaním účastníckej slučky pri impulznej voľbe, pri zdvihnutí a položení mikrotelefónu a pri vyzváňaní. 25

35 Tieto rušivé javy sú elektromagnetickou väzbou zavlečené v prístupovej sieti do páru, v ktorom je prevádzkovaný digitálny prenos dát (ADSL). Spôsobuje tak v dátových prenosoch zhluky chýb. Avšak použitím Fourierovej transformácie pri spracovaní signálu v ADSL, sa účinok impulzného šumu, ktorý pôsobí na DMT symbol, rozširuje cez celé pásmo na všetky subkanály. Výsledný efekt rušenia sa tiež ďalej zníži použitím samoopravných zabezpečovacích kódov FEC (dopredná korekcia chýb) a prekladaním dát Vysokofrekvenčné rušenie RFI Zdrojom vysokofrekvenčného rušenia RFI (Radio Frequency Interference) sú rádiové vysielače, ktoré vysielajú na dlhých (LW) a stredných vlnách (MW), ako sú rozhlasové stanice, rádioamatérske stanice atď. Tento zdroj rušenia ovplyvňuje prakticky všetky páry v kábloch, zvlášť v starších nadzemných (vzdušných) káblových rozvodoch, ktoré nie sú tienené a páry sú chránené iba svojou symetriou a krútením. Rušenie sa prejavuje v širokom spektre frekvencií a má nestály časový priebeh. Jeho intenzita pôsobenia na jednotlivé páry môže byť rôzna a je úmerná blízkosti zdroja vysokofrekvenčného vysielania. Rušenie v spektre, ktoré je využívané na prenos dát, sa označuje ako rušenie in band a nie je možné ho odfiltrovať. [5] Samotné digitálne prenosové systémy nesmú byť zdrojom RFI a musia vyhovovať normám pre elektromagnetickú kompatibilitu EMC (Electro-Magnetic Compatibility), čo vedie tiež k obmedzeniu spektrálnej hustoty vysielacieho výkonu. RFI hrá významnú úlohu predovšetkým u digitálnych prenosových systémov s vyššou prenosovou rýchlosťou, ktoré využívajú široké frekvenčné spektrum, ako napríklad VDSL systémy, pracujúce v pásme do 30 MHz. Pri návrhu nasadenia týchto prenosových systémov na konkrétne trasy, sa už dopredu počíta s možným RFI, ktoré sa na trase prejavuje a preto sa prispôsobuje alokačná schéma pre jednotlivé subkanály. 26

36 5.2. Vnútorné rušivé vplyvy Aditívny biely šum Aditívny biely Gaussov šum AWGN (Additive White Gaussian Noise) je špeciálnym druhom šumu. Má nulovú strednú hodnotu, ploché spektrum a jeho amplitúdy sú rozložené podľa Gaussovej krivky pravdepodobnosti [5]. Je charakterizovaný výkonovou spektrálnou hustotou v prenosovom pásme (pri výpočtoch signálových spektier sa počíta s úrovňou AWGN -100 dbm/hz až -140 dbm/hz. AWGN sa pri prenose adituje k užitočnému signálu a tvorí ho niekoľko zložiek: tepelný šum výstrelový šum kvantizačný šum zbytkový odrazový šum Tepelný a výstrelový šum Zdrojom tepelného šumu je chaotický pohyb elektrónu vo vodiči. Intenzita pohybu elektrónu závisí na mernom odpore (resp. teplote) a je priamo úmerná tomuto šumu [5]. Výstrelový šum vzniká pohybom elektrických nábojov v polovodiči, elektrónov v polovodiči typu N a dier v polovodiči typu P. Kvantizačný šum Kvantizačný šum je daný princípom digitálnych modulácií a je teda charakteristický pre A/D prevodníky. Je spôsobený nedokonalosťou digitálnych systémov. Analógový signál môže mať nekonečný počet hodnôt, naproti tomu digitálny signál je obmedzený počtom kvantizačných hladín. Rozdiel medzi vstupným analógovým signálom a zakódovanými vzorkami výstupného signálu, sa nazýva kvantizačný šum. Úroveň kvantizačného šumu je pod veľkosťou rozhodovacieho kroku, aby zaisťovala odpovedajúcu presnosť digitálneho signálu oproti signálu analógovému. Zložitosť návrhu A/D prevodníku je úmerná ich presnosti a požadovanej hodnote kvantizačného skreslenia. 27

37 Zbytkový odrazový šum Zbytkový odrazový šum je časťou odrazových interferencií a zostáva v signále po echo kompenzácii. Echo kompenzácia musí byť prevedená pred kvantizáciou signálu, pretože amplitúdy odrazu môžu byť niekoľkokrát vyššie ako prijímaný signál a mohli by tak spôsobiť skreslenie. 5.3 Zhrnutie šumov Účinky aditívneho šumu AWGN môžu byť zanedbané v prípade, že prevažujú účinky presluchu typu NEXT a ďalšieho rušenia. Na frekvenciách, kde sa vplyvom prostredia neprejavujú presluchové väzby a úroveň prijímaného (vysielaného) signálu je nižšia, bude AWGN dominantný. Z uvedených zdrojov šumu zahrnutých do AWGN vyplýva, že aditívny šum môže byť ovplyvnený samotným návrhom prijímača. Tepelný a výstrelový šum môžu byť obmedzené špeciálnymi štruktúrami prijímača s použitím nízkošumových polovodičov. Kvantizačný šum a zbytkový odrazový šum môžu byť obmedzené dostatočne presnými A/D prevodníkmi a použitím obvodu pre potlačenie odrazov Presluch typu NEXT a FEXT Presluch medzi dvojicou vodičov, ktoré tvoria páry v kábli, je spôsobený vzájomnými kapacitnými a induktívnymi väzbami, resp. je spôsobený nerovnováhami kapacitného a induktívneho charakteru medzi vodičmi. Najvážnejším zdrojom rušenia pri ADSL sú iné prenosové systémy ADSL prevádzkované v tom istom kábli. Každý pár je rušený rôznou mierou všetkými ostatnými pármi v kábli, s ktorými je v súbehu. Záleží na vzájomnej polohe v kábli, na vzájomných pomeroch skrutu, presnosti výroby atď. Podľa toho, na akom mieste sa presluchy prejavujú, rozoznávame presluchy: 28

38 Obrázok 5.1 Grafické znázornenie presluchov v metalickom kábli : Presluch na blízkom konci NEXT (Near End CrossTalk), ktorý vzniká prenosom signálu z vysielača na ostatné páry v rovnakom viacpárovom kábli cez kapacitné a induktívne väzby na vstup prijímača na rovnakom konci vedenia. Presluch na vzdialenom konci FEXT (Far End CrossTalk), ktorý sa prejavuje tým, že signály z vysielača na iných pároch v rovnakom kábli prenikajú do vstupu prijímača na opačnom konci vedenia. NEXT je obvykle hlavným obmedzujúcim faktorom, ktorý limituje dosah digitálnych prenosových systémov pracujúcich v základnom pásme s vyššími prenosovými rýchlosťami. Presluch na blízkom konci rastie s frekvenciou so sklonom približne 15 db na dekádu. Prenosová funkcia výkonu NEXT sa dá podľa [4] napísať ako: H P ( f ) 2 2NEXT NEXT ( f ) = = K NEXT f P1 ( f ) 3 / 2 (5.1) kde P 2NEXT (f) je výkon presluchu NEXT, P 1 (f) vysielací výkon, K NEXT je konštanta závislá na type použitého kábla. FEXT sa väčšinou zanedbáva u systémov s dominantným presluchom na blízkom konci. Je však závažný pre systémy s frekvenčným oddelením smeru prenosu ako je ADSL. Veľkosť FEXT závisí na frekvencii a dĺžke vedenia. Prenosová funkcia výkonu FEXT sa dá podľa [4] napísať ako: H FEXT ( f ) 2 = P2 FEXT ( f ) P ( f ) 1 = K FEXT f 2 l.10 0,1α ( f ) l (5.2) 29

39 kde P 2FEXT (f) je výkon presluchu FEXT, P 1 (f) vysielací výkon, K FEXT je konštanta závislá na type použitého kábla. Skutočné závislosti presluchových väzieb na frekvencii majú značné zvlnenie pre nerovnomernosti kapacitných a induktívnych nerovnováh pozdĺž vedenia. Konštanty závisia na procese výroby kábla, dodržaní tolerancií, ohyboch a pod. Experimentálne sa dá stanoviť stredná miera väzieb a tá aplikovať na všetky páry kábla. Pri analýze presluchov sa postupuje tak, že s postupným pridávaním rušivých systémov do kábla sa obsadzujú najprv kombinácie s najsilnejším rušením. To znamená, že s pribúdajúcimi zdrojmi rušenia sa predpokladá zaplnenie profilu smerom k vzdialenejším párom s nižšími presluchovými väzbami nárast odpovedá práve mocnine 0,6. Vzťah platí rovnako pre konštanty typu NEXT aj FEXT. K n = K 1.n (0,6) (5.3) K n je konštanta pre n zdrojov presluchového rušenia, K 1 je konštanta pre 1 zdroj rušenia pre najhorší prípad rušenia od susedného páru, n je počet zdrojov rušenia 5.5 Parametre symetrických párov. Súčasné telekomunikačné vedenia môžeme považovať za homogénne vedenie s rovnomerne rozloženými elektrickými parametrami. Charakteristické parametre vedenia sú tzv. primárne parametre vedenia: R - odpor [Ω/km], L - indukčnosť [H/km], C - kapacita [F/km], G - zvod [S/km]. Parameter r 0 a c l 0 l f m B c 7 BT 0.4 mm 280 0, , , , ,527 33, TCEPKPFLE Tabuľka 5.1 Parametre vedenia - sedemparametrový model BT pre kábel TCEPKPFLE 0,4 mm r oc - jednosmerný odpor a c - udáva sklon frekvenčné charakteristiky l o - indukčnosť pri nízkych frekvenciách l - indukčnosť pri najvyšších frekvenciách daného pásma f m a b - parametre charakterizujúce prechod medzi oblasťou nižších a vyšších frekvencií c - merná kapacita pri vyšších frekvenciách. 30