Chương 6 Các phương pháp truyền song công Hầu hết các dịch vụ DSL đòi hỏi truyền dữ liệu theo hai hướng hay "song công". Các modem DSL tách các tín hiệu ở hai hướng ngược chiều sử dụng các phương pháp truyền song công. Có 4 phương pháp truyền song công gồm: song công 4 dây, khử tiếng vọng, song công phân thời gian, và song công phân theo tần số. Ba phương pháp cuối cùng sử dụng cùng một đôi dây xoắn để truyền dẫn hai hướng. 6.1 Song công 4 dây Hình minh họa song công 4 dây sử dụng hai kênh đôi dây xoắn, mỗi dây cho một hướng truyền. Song công 4 dây cũng được biết tới với tên truyền "đơn công kép" bởi vì có hai kênh truyền đơn công (đơn hướng). Nhược điểm rõ ràng của song công 4 dây là nó đòi hỏi hai đôi dây xoắn thay vì một đôi như đối với các phương pháp truyền song công còn lại. Song công 4 dây là phương pháp rẻ tiền nhất nếu đôi dây đồng phụ sẵn có không dùng tới. Tuy nhiên, do dây đồng phụ thường là đắt nên giá thành tổng cộng thường là cao nhất với song công 4 dây, mặc dù giá thành cho các thành phần điện tử có thể là rẻ hơn. Sự thỏa hiệp về giá thành điện tử để tiết kiệm dây đồng là một đề tài chung thường xuất hiện trong kỹ thuật DSL. Các DSL đầu tiên, các mạch T1(DS1, ANSI-T1.403) và E1 (G.703, ITU-T), mang tốc độ dữ liệu 1,544 Mb/s và 2,048 Mb/s tương ứng với song công 4 dây. Khoảng cách tối đa điển hình đối với các mạch T1 và E1 (không dùng bộ lặp) xấp xỉ 2000 m. Song công 4 dây thường được sử dụng trong một số modem HDSL 2,048 Mb/s hiện đại với khoảng cách xấp xỉ 4000 m khi các đôi dây đồng xoắn là dư thừa và đòi hỏi giá thành các bộ thu phát thấp. Các DSL như vậy được gọi là HDSL đơn công kép. Các hướng truyền HDSL đơn công kép điển hình được đặt trong các nhóm binder (bó sợi) khác nhau để tránh xuyên âm đầu gần giữa các tín hiệu trong các hướng ngược nhau (xem Chương ). 63 64 CHƯƠNG 6. CÁC PHƯƠNG PHÁP TRUYỀN SONG CÔNG 6.2 Khử tiếng vọng Song công khử tiếng vọng (xem Hình 6.1) đạt tới tốc độ dữ liệu của song công 4 dây trên duy nhất một đôi dây xoắn, do đó tiết kiệm được cáp đồng hay tương ứng với việc tăng độ rộng băng tần của các đôi dây xoắn hiện có. Khử tiếng vọng là dạng thức ghép kênh phổ biến nhất trong DSL, được chuẩn hóa để sử dụng trong ISDN, HDSL và ADSL. Một "tiếng vọng" là sự phản xạ của tín hiệu phát về bộ thu đầu gần. Tiếng vọng rất được quan tâm vì các tín hiệu tương ứng với cả hai hướng truyền số đồng thời tồn tại trên đường truyền đôi dây xoắn, vì vậy tiếng vọng là nhiễu không mong muốn. Tiếng vọng là phiên bản bị lọt ra của tín hiệu được phát đi. Một bộ khử tiếng vọng tự thích nghi tạo ra một bản sao của tín hiệu phát bị vọng về và trừ nó cho tín hiệu nhận được. Mũi tên được vẽ xuyên qua khối bộ khử tiếng vọng trong Hình 6.1 thường được sử dụng trong xử lý tín hiệu số để biểu thị rằng một bộ lọc hoạt động một cách thích nghi sử dụng tín hiệu trên đường dây làm tín hiệu điều khiển. Hình 6.1: Khử tiếng vọng cho việc tách biệt tín hiệu trên 2 dây Mạch sai động tương tự trong Hình 6.1 tách các tín hiệu phát khỏi các tín hiệu thu khi trở kháng đường truyền hoàn toàn phối hợp bởi trở kháng bộ sai động tương ứng như đã thảo luận trong Chương 3. Khi các trở kháng này không thể được phối hợp hoàn toàn, mà điều này hầu hết là luôn đúng trong thực tế, một tiếng vọng của tín hiệu phát xuất hiện tại đầu ra tín hiệu thu của bộ sai động. Thiết kế bộ sai động tốt đạt tới độ suy hao tín hiệu phát 20 dB trước khi nó phát ra khỏi đầu ra tín hiệu thu của bộ sai động. Các tín hiệu đường dây số có thể bị suy hao lên tới khoảng 40 dB, do đó tiếng vọng có thể vẫn lớn hơn tín hiệu mong muốn từ đầu xa khoảng 20 dB, dẫn tới tỷ số tín hiệu trên nhiễu không thể chấp nhận được để tách được tín hiệu mong muốn từ đầu xa. Đầu vào của bộ khử tiếng vọng là một tín hiệu phát ở dạng số được lấy mẫu. Đầu vào này với các mẫu trước đó được lưu trong đường dây trễ số thường kéo dài từ 100 đến 200 µs Bộ khử tiếng vọng nhân các mẫu đã được lưu này với các hệ số của bộ khử tiếng vọng và lấy tổng các tích nhận được để hình thành một giá trị ước lượng của tiếng vọng, mà sau đó bị trừ khỏi đầu ra của bộ sai động. Các hệ số để khử tốt nhất phụ thuộc vào đường truyền và do đó được xác định một cách thích nghi. Các bộ khử tiếng vọng phải có khả năng loại trừ tiếng vọng với mức trên 50 dB đối với 6.2. KHỬ TIẾNG VỌNG 65 ISDN, với mức trên 60 dB đối với HDSL và với mức trên 70 dB đối với ADSL. Các mức khử là khác nhau vì tần số càng cao thì suy hao càng lớn với HDSL và ADSL, có nghĩa rằng máy thu phải giảm tiếng vọng tần số cao tới mức thấp hơn để làm cho nó nhỏ hơn mức nhỏ nhất của các tần số thu. Để đạt được mức loại trừ tiếng vọng cao này, bộ khử tiếng vọng phải xác định các hệ số vọng thích nghi với độ chính xác cao. Một số bộ khử tiếng vọng cũng xây dựng đặc tính phi tuyến cho các thành phần tiếng vọng mà không thể được biểu thị làm tổng các tích của các mẫu tín hiệu phát. Khử tiếng vọng phức tạp hơn song công 4 dây. Tuy nhiên, với sự ra đời của các bộ vi xử lý với khả năng xử lý tín hiệu số cao của các VLSI, khử tiếng vọng thậm chí phần lớn các trường hợp khắt khe nhất (ADSL) thường có giá thành không đáng kể và do đó thường có mặt trong thực tế. Ước lượng tiếng vọng được tạo ra bởi bộ khử tiếng vọng có thể được viết ngắn gọn là  d = W ∗ X (6.1) ở đây  d là ước lượng của thành phần tiếng vọng d của tín hiệu nhận được tại lối ra của bộ sai động. W là một vector cột của các hệ số khử tiếng vọng, và X là một vector tương ứng của các mẫu tín hiệu phát (dấu * ở đầu ký hiệu chuyển vị và liên hợp phức). Tích của hai vector về mặt toán học mô tả tổng trọng số được hình thành bởi bộ khử tiếng vọng. Các giá trị trong vector đầu vào X cũng như hoạt động và độ chính xác có thể đạt được của bộ khử tiếng vọng phụ thuộc vào mã đường được chọn (xem chương 7). Để minh họa độ phức tạp, tốc độ lấy mẫu của một máy phát ISDN tối thiểu là 80 kHz, tương ứng với khoảng thời gian lấy mẫu 12,5 µs. Vì vậy, một độ dài đáp ứng tiếng vọng 400 µs (tương ứng với kích thước của W và X) đòi hỏi tối thiểu 32 hệ số, và vì vậy 32(80,000)=2,56 triệu phép tính trên 1 giây. Các bộ lọc thông thấp được sử dụng để triệt bỏ nhiễu điển hình làm tăng độ dài của tiếng vọng. Các bộ khử tiếng vọng cho HDSL có thể cần đến 64 hay 128 hệ số và lên tới 128×800.000=100 triệu phép tính trên 1 giây. Các bộ khử tiếng vọng cho ADSL có thể cần đến 300 hệ số, nhưng lợi dụng tính không đối xứng và "quay vòng" của mã đường DMT, điển hình yêu cầu từ 20 đến 30 triệu phép tính trên giây. 6.2.1 Khử tiếng vọng thích nghi Các giá trị của hệ số có thể được quyết định bởi thuật toán cập nhật trung bình bình phương nhỏ nhất - một phương pháp stochastic-gradient xác định kiểu lặp đi lặp lại và tìm kiếm các giá trị hệ số chính xác. Tín hiệu lỗi bộ khử tiếng vọng là e = d −  d (6.2) và bằng tín hiệu nhận được nếu bộ khử tiếng vọng tái tạo một cách hoàn hảo tiếng vọng và loại trừ nó. Tín hiệu lỗi này cũng được sử dụng để cập nhật giá trị bình phương trung bình nhỏ nhất. W k+1 = W k + µe k X ∗ k (6.3) ở đây chỉ số k là chỉ số thời gian cập nhật. Hằng số µ xác định sự thỏa hiệp giữa độ chính xác ước đoán và tốc độ tìm kiếm. Khử tiếng vọng phi tuyến làm tăng khả năng khử tiếng vọng trên bằng cách bổ sung một bảng tham chiếu đưa ra điểm ước lượng tiếng vọng d (RAM đánh địa chỉ bởi vector X k ). Địa chỉ cho bảng tham chiếu được xác định bởi các bit có trọng số lớn nhất của các mẫu tín hiệu 66 CHƯƠNG 6. CÁC PHƯƠNG PHÁP TRUYỀN SONG CÔNG phát đối với vài mẫu tương ứng với các chu kỳ thời gian thu khi phần lớn năng lượng vọng lại bị phản xạ. Việc cập nhật vị trí bảng tham chiếu đơn giản là lấy trung bình (giá trị mới= giá trị cũ + λ (lỗi)). λ là một hằng số xác định sự thỏa hiệp giữa độ chính xác và thời gian dò tìm của bộ khử tiếng vọng phi tuyến. 6.3 Song công phân chia thời gian Song công phân chia theo thời gian (TDD) giữ im lặng một hướng truyền trong khi hướng kia đang làm việc. Điều khiển tuyến thay đổi tại các khoảng thời gian chia đều giữa các hướng truyền. TDD tránh được sự cần thiết về bộ khử tiếng vọng trên một mạch vòng 2 dây, như được minh họa trên Hình 6.2. Các "chuyển mạch" thay đổi giữa hai hướng truyền nhằm cho phép cả hai đôi của máy phát/máy thu sử dụng cùng một đường 2 dây. Tuy nhiên, đối với truyền dẫn đối xứng, tốc độ dữ liệu phải tối thiểu được chia đều vì chỉ một nửa thời gian kết nối được dùng để truyền. Điển hình, sự quay vòng của mạch vòng gây ra thêm một số tổn thất về tốc độ truyền do trong thực tế chúng không thể được thực hiện ngay lập tức. TDD đôi khi được gọi bằng một tên thân mật là "ping-pong" một sự ví von giữa môn bóng bàn với điều khiển truyền dẫn. Hình 6.2: Khử tiếng vọng cho việc tách biệt tín hiệu trên 2 dây Ví dụ 1 - ISDN ở Nhật. Các nhà cung cấp viễn thông nhật bản đôi khi sử dụng TDM thay cho tiêu chuẩn truyền dẫn ISDN ANS T1.601 (tiêu chuẩn cho khử tiếng vọng). Trong hệ thống này, mỗi hướng truyền sẽ có lượt truyền trong khoảng thời gian 400 µs Ví dụ 2 - VDSL: Trên danh nghĩa, TDM gây ra tổn thất băng tần không thể chấp nhận được đối với các dịch vụ như ADSL hay VDSL khi các dịch vụ này cố tận dụng băng tần truyền dẫn trên đôi dây xoắn. Tuy nhiên, trong một DSL, xuyên âm trở nên trầm trọng ở các tần số cao hơn. Xuyên âm đầu gần (xem Chương 3) chiếm ưu thế trên các loại nhiễu ở tần số trên 300 kHz trong DSL. Các tín hiệu VDSL chiếm băng tần rộng hơn nhiều và gây xuyên âm không thể chấp nhận được sang nhau nếu triệt tiếng vọng được sử dụng. Vì vậy, trong khi TDM chắc chắn gây ra tổn thất thời gian truyền, thì sự mất mát này có thể được bù trừ bằng giảm NEXT xuống tối thiểu nếu tất cả các đường trong một binder cùng làm việc (tức là chúng "ping" và "pong" cùng một thời điểm). Một số đề xuất VDSL gần đây (VDSL-SDMT) sử dụng TDM nhằm giảm giá thành và cải thiện hiệu suất so với sử dụng phương thức triệt tiếng vọng. VDSL vẫn chưa được chuẩn hóa và các đề xuất cho ghép kênh (FDM) đang được nghiên cứu. 6.4. GHÉP KÊNH PHÂN CHIA TẦN SỐ 67 6.4 Ghép kênh phân chia tần số Ghép kênh phân chia tần số (FDM) phát các hướng khác nhau trên các băng tần không chồng lấn, như Hình 6.3. FDM vẫn chưa được sử dụng nhiều trong thực tế chủ yếu do biến đổi suy hao đường truyền tạo ra độ không chắc chắn về lượng băng tần cần được phân bổ cho hai hướng truyền. FDM, giống như TDM tránh được NEXT nếu tất cả đường truyền sử dụng cùng một băng tần. Một sự lựa chọn FDM (tương thích với khử tiếng vọng) cho ADSL cho phép đặt trước 138 kHz đầu tiên cho truyền luồng lên và phù hợp với tiêu chuẩn T1.413. Lựa chọn này phần lớn được sử dụng ở Mỹ. Tuy nhiên hiệu suất được thỏa hiệp trong cấu hình này và băng tần luồng lên bị giới hạn đối với các tốc độ dữ liệu dưới tốc độ mong muốn đối với một số dịch vụ (truy cập internet). Một số tiêu chuẩn ADSL mới từ ITU được biết tới như "g.dmt", "g.922.1", "g.lite" và "g.922.1", thực tế có 3 phụ lục, mỗi phụ lục cho phép FDM, khử tiếng vọng, hay TDM trong các modem ADSL này Hình 6.3: Khử tiếng vọng cho việc tách biệt tín hiệu trên 2 dây . (xem Chương ). 63 64 CHƯƠNG 6. CÁC PHƯƠNG PHÁP TRUYỀN SONG CÔNG 6. 2 Khử tiếng vọng Song công khử tiếng vọng (xem Hình 6. 1) đạt tới tốc độ dữ liệu của song công 4 dây trên duy nhất một đôi dây. hai hướng. 6. 1 Song công 4 dây Hình minh họa song công 4 dây sử dụng hai kênh đôi dây xoắn, mỗi dây cho một hướng truyền. Song công 4 dây cũng được biết tới với tên truyền "đơn công kép". song công. Có 4 phương pháp truyền song công gồm: song công 4 dây, khử tiếng vọng, song công phân thời gian, và song công phân theo tần số. Ba phương pháp cuối cùng sử dụng cùng một đôi dây xoắn để