Moderní modulační metody a jejich aplikace

Moderní modulační metody
a jejich aplikace
Petr Jareš
Autor: Petr Jareš
Název díla: Moderní modulační metody a jejich aplikace
Zpracoval(a): České vysoké učení technické v Praze
Fakulta elektrotechnická
Kontaktní adresa: Technická 2, Praha 6
Inovace předmětů a studijních materiálů pro
e-learningovou výuku v prezenční a kombinované
formě studia
Evropský sociální fond
Praha & EU: Investujeme do vaší budoucnosti
VYSVĚTLIVKY
Definice
Zajímavost
Poznámka
Příklad
Shrnutí
Výhody
Nevýhody
ANOTACE
Modulace s více nosnými výrazným způsobem ovlivnily možnosti datových přenosů v oblasti
telekomunikací. Pro své výhody jsou dnes modulační principy s více nosnými v širokém
měřítku implementovány do různých přenosových systémů, se kterými se běžně setkáváme
každý den. Přínosy těchto modulačních principů jsou tak významné, že studenti jakéhokoliv
technického oboru, který se zabývá telekomunikacemi nebo zpracováním dat, by o nich měli
mít dostatečné povědomí.
CÍLE
Výukový modul seznamuje se základnímu principy modulací s více nosnými. V rámci
prvních kapitol modulu jsou popsány základy v oblasti rozdělní modulací a základy modulace
QAM. V následujících kapitolách je postupně probrán princip ortogonálního frekvenčního
multiplexu, diskrétní multitónové modulace a její nadstavby označované zkratkou VDMT.
V rámci jednotlivých témat jsou uváděny výhody i nevýhody modulačních principů a jsou
uvedeny i příklady reálných implementací. Modul tak přehledným způsobem shrnuje základní
principy a příklady použití.
LITERATURA
[1]
Šimák, B. - Vodrážka, J. - Svoboda, J.: Digitální účastnické přípojky xDSL - Díl 1. 1.
vyd. Praha: Sdělovací technika, 2005. 142 s. ISBN 80-86645-07-X.
[2]
Prchal, Josef. Digitální zpracování signálů v telekomunikacích. Vyd. 1. Praha: ČVUT,
2000. 222 s. ISBN 80-01-02149-1.
[3]
Dobeš, J. - Žalud, V.: Moderní radiotechnika. 1. vyd. Praha: BEN - technická literatura,
2006. 768 s. ISBN 80-7300-132-2.
[4]
Žalud, V.: Nejnovější vývojové trendy v mobilní komunikaci. In Perspektivy
elektroniky - sborník přednášek. Rožnov pod Radhoštěm: Sensit Holding s. r. o., 2005,
s. 44-50.
[5]
Žalud, V.: Digitální televize a digitální rozhlas současnost a perspektivy. In:
Perspektivy elektroniky 2009. Rožnov pod Radhoštěm: Střední škola informatiky,
elektrotechniky a řemesel, 2009, s. 103-114. ISBN 978-80-254-4052-0.
[6]
Žalud, V.: Systém mobilní komunikace pro dlouhodobou evoluci LTE/SAE. In:
Radiokomunikace 2009. Pardubice: UNIT, 2009, s. 67-89.
[7]
Šilhavý, P.: Modulace DMT (Discrete MultiTone). [online]. 2001, roč. 6 [cit. 2012-1220]. ISSN 1213-1539. Dostupné z:
http://www.elektrorevue.cz/clanky/01006/index.html.
[8]
Gregořica, M.: Dopad rušivých vlivů na přenosovou rychlost systémů s DMT modulací.
[online]. 2005, roč. 42 [cit. 2012-12-20]. ISSN 1213-1539. Dostupné z:
http://www.elektrorevue.cz/clanky/05042/index.html.
Obsah
1 Úvod do modulací a linkových kódů .................................................................................. 7
1.1
Informace, zpráva a signál.......................................................................................... 7
1.2
Digitální signál a jeho přenos ..................................................................................... 8
1.3
Přehled a rozdělení linkových kódů ........................................................................... 9
1.4
Přehled a rozdělení modulačních principů ............................................................... 10
1.5
Princip modulace QAM a QASK ............................................................................. 11
1.6
Konstelační diagram QAM ...................................................................................... 12
2 Modulace s více nosnými kmitočty ................................................................................... 14
2.1
Základní principy MCM ........................................................................................... 14
2.2
Modulačí princip OFDM .......................................................................................... 15
2.3
Modulátor a demodulátor OFDM............................................................................. 16
2.4
Parametry modulačního principu OFDM ................................................................. 18
2.5
Výhody modulačního principu OFDM .................................................................... 19
2.6
Nevýhody modulačního principu OFDM................................................................. 20
2.7
Eliminace vícecestného šíření .................................................................................. 21
2.8
Modulace OFDM v praxi – DVB-T a DAB ............................................................. 23
2.9
Modulace OFDM v praxi – bezdrátové sítě WLAN ................................................ 25
2.10
Modulační princip DMT .......................................................................................... 27
2.11
Modulační princip DMT v praxi .............................................................................. 28
2.12
Proces adaptivní bitové alokace ............................................................................... 29
2.13
Určení počtu alokovaných bitů................................................................................. 30
2.14
Výhody adaptivní bitové alokace ............................................................................. 32
2.15
Vektorová modulace – VDMT ................................................................................. 34
2.16
Výhody a nevýhody VDMT ..................................................................................... 36
2.17
Simulace DMT ......................................................................................................... 39
2.18
Shrnutí MCM ........................................................................................................... 40
2.19
Ověření znalostí ........................................................................................................ 41
1 Úvod do modulací a linkových kódů
1.1 Informace, zpráva a signál
Potřeba člověka dorozumět se (přenášet určitou informaci) na větší vzdálenost,
než na jakou mu to umožňují jeho smysly, daly vzniknout oboru, který dnes
nazýváme telekomunikace. Vzhledem k rostoucím nárokům na objem a rychlost
přenášených informací, se postupně zdokonalovaly i způsoby vzdáleného
dorozumívání.
Pojem informace je v telekomunikacích chápán jako odraz reálného světa
vyjádřený formou zprávy, která je vytvořena zdrojem zpráv.
Každá zpráva se skládá z jednotlivých prvků neboli elementů (typicky písmena,
číslice, apod.). Tyto elementy tvoří tzv. abecedu zdroje zpráv. Abeceda může být
omezená, pokud obsahuje pouze konečný počet elementů, nebo může být
neomezená, pokud má počet elementů neomezený. V případě, že máme
k dispozici neomezený počet elementů, jsme schopni vytvořit spojitou zprávu
(analogovou). V opačném případě můžeme vytvářet pouze zprávu nespojitou
(diskrétní).
Konkrétní fyzikální formu zprávy nazýváme signál.
Volba formy signálu (akustický, optický, elektrický) musí korespondovat
s prostředím, ve kterém se signál má šířit. Například optický signál je vhodný pro
přenos pomocí optického vlákna. Signály lze rozdělovat na:
•
Signál spojitý (analogový) – tedy takový, který vyjadřuje zprávu pomocí
neomezeného počtu hodnot určité fyzikální veličiny (například amplitudy).
•
Signál nespojitý (diskrétní) – takovýto signál je nespojitý buď v čase, nebo
v amplitudě, případně je nespojitý v čase i amplitudě.
•
Signál číslicový (digitální) – je speciálním případem signálu nespojitého, který
vyjadřuje zprávu pomocí omezeného počtu hodnot – signálových stavů
(například pouze pomocí dvou).
Doby, kdy se pro přenos zprávy využívalo třeba kouřových signálů a ohně
obecně, jsou nenávratně pryč. V dnešní době se vzdálené dorozumívání
uskutečňuje výhradně prostřednictvím tzv. sítí elektronických komunikací,
diskrétních zpráv a číslicových signálů.
1.2 Digitální signál a jeho přenos
Před vlastním přenosem zprávy je nutné vytvořit jednoznačný vztah (přiřazení)
mezi jednotlivými elementy zprávy a konkrétní hodnotou fyzikálního parametru
signálu. Tento proces přiřazení nazýváme kódování zprávy. Opačný postup na
straně příjemce zprávy nazýváme dekódování zprávy.
Pro lepší představu. Tvoří-li elementy zprávy písmena A, B, C, atd., lze kódování přiřadit jednotlivým
elementům amplitudu napětí signálu +1 V, +2 V, +3 V, atd. Přiřazovat lze ale i například frekvenci, délku
impulsu, šířku impulsu, apod. V dnešním světě výpočetní techniky se procesem kódování přiřazují
jednotlivým elementům zdroje zpráv určité sekvence, skládající se z logických 0 a logických 1.
Kódovaná zpráva však nemusí být stále vhodná pro dálkový přenos. Například
amplituda signálu může být negativně ovlivněna útlumem přenosové cesty, a tedy
příjem zprávy nemusí být bezchybný. Je proto vhodné dále upravit přenášený
signál s ohledem na konkrétní parametry přenosové cesty.
Při přenosu digitálního signálu máme dvě možnosti jak přizpůsobit (upravit)
signál s ohledem na parametry přenosové cesty. Rozlišujeme:
•
Přenos v základním pásmu prostřednictvím linkového kódu (např. AMI,
HDB3, atd.).
•
Přenos v přeloženém pásmu prostřednictvím modulace (např. ASK, QAM,
OFDM).
Digitální signál je obecně charakterizován svou přenosovou rychlostí. Požadovaná
přenosová rychlost závisí na počtu stavů digitálního signálu a rychlosti změn
těchto stavů – tzv. modulační rychlost. Je zřejmé, že čím více stavů bude digitální
signál nabývat a čím rychleji bude možné tyto stavy měnit, tím vyšší přenosovou
rychlost dosáhneme a přeneseme větší množství zpráv za jednotku času. Zvyšovat
oba uvedené parametry však nemůžeme libovolně. Při přenosech jsme limitováni
parametry přenosového kanálu. Především pak šířkou kmitočtového pásma
a rušením, které se v daném kanále vyskytuje. Volbou vhodného linkového kódu
nebo modulace můžeme zajistit požadované parametry datového přenosu
(odolnost proti rušení, synchronizaci, šířku využívaného kmitočtového pásma,
apod.).
8
1.3 Přehled a rozdělení linkových kódů
Prostřednictvím linkových kódů realizujeme přenos signálu v tzv. základním
pásmu, tedy v nezměněné kmitočtové poloze. Linkové kódy je možné dělit,
s ohledem na jejich různé vlastnosti, podle několika kritérií. Jedním
z nejdůležitějších je:
•
Linkové kódy pro přenos se stejnosměrnou složkou.
•
Linkové kódy pro přenos bez stejnosměrné složky.
U moderních přenosových systémů se výhradně využívají linkové kódy pro
přenos bez stejnosměrné složky. Využívané kmitočtové pásmo začíná velmi
blízko 0 Hz, ale vlastní stejnosměrná složka se nepřenáší z důvodu instalace
translátorů v přenosovém okruhu.
Další kritérium dělení zohledňuje fakt, že linkové kódy mohou nabývat různé
počty stavů. Proto je možné rozlišovat:
•
Kódy dvoustavové – jinak nazývané jako dvojkové.
•
Kódy třístavové:
o Kódy bipolární – například HDB3 u hierarchie PDH 1. řádu.
o Kódy trojkové – například 4B3T u některých variant základní přípojky
ISDN.
•
Kódy vícestavové – typickým příkladem je linkový kód 2B1Q přípojky
euroISDN2 (používáno i v ČR), nebo kód 4B5B u technologie Fast Ethernet,
PAM u technologie SHDSL, atd.
Linkové kódy je možné dělit i s ohledem na polaritu signálových prvků. Pokud
hodnoty signálových prvků kódu nabývají pouze jedné polarity, nazývá se
takovýto kód unipolární. V případě, že signálové prvky nabývají obě polarity (jak
kladné tak i záporné od nuly), nazývá se kód dvojí polarity (polární).
Pokud se signálový prvek během doby svého trvání vrací k nule, jedná se
o linkový kód s návratem k nule (RZ, Return to Zero). V opačném případě se
takovýto kód označuje jako kód bez návratu k nule (NRZ, No Return to Zero).
9
1.4 Přehled a rozdělení modulačních principů
Druhým způsobem, kterým můžeme přizpůsobit kódovanou zprávu (signál) na
přenos konkrétním přenosovým kanálem, je proces modulace na vysílací straně
(na přijímací straně je nutné provést inverzní proces – demodulaci).
Modulací se obecně rozumí proces, kdy dochází ovlivnění určitého parametru
elektromagnetického vlnění (tzv. nosné vlny) modulačním signálem, který nese
zprávu.
Parametrem, jenž se ovlivňuje u elektromagnetického vlnění je obvykle –
amplituda, fáze, frekvence. Modulace rozlišujeme:
•
Analogová modulace – o tomto typu modulace hovoříme v případě, že
modulační signál nesoucí zprávu může nabývat nekonečného počtu stavů.
Takovéto modulace se označují jako amplitudová modulace (AM), fázová
modulace (PM) a frekvenční modulace (FM).
•
Digitální modulace – o tomto typu modulace hovoříme v případě, kdy
modulační signál je digitální s konečným počtem stavů. Takovémuto
ovlivňování nosné vlny se říká klíčování (Shift Keying) a modulace se
označují jako amplitudové klíčování (ASK), fázové klíčování (PSK)
a frekvenční klíčování (FSK).
Je možné samozřejmě ovlivňovat modulačním signálem i více parametrů
elektromagnetického vedení zároveň. Kvadraturně amplitudová modulace (QAM,
Quadrature Amplitude Modulation) kombinuje princip modulace fázové
a amplitudové. Obdobně existuje i digitální varianta QASK (Quadrature ASK).
V závislosti na způsobu, jak modulační princip využívá dostupné kmitočtové
pásmo, hovoříme o:
•
Modulaci s jednou nosnou (SCM, Single-Carrier Modulation). Do této
skupiny spadají všechny dříve zmíněné modulace.
•
Modulace s více nosnými kmitočty (MCM, Multi-Carrir Modulation).
Příkladem takovéhoto modulačního principu je OFDM (Orthogonal
Frequency Division Multiplexing) a DMT (Discrete Multitone).
Obdobně jako u linkových kódů, se i u modulací zavádí větší počet stavů tak, aby
se bez změny modulační rychlosti zvýšila rychlost přenosová. Čtyř stavová
modulace QPSK (neboli 4-PSK) je schopna jedním stavem přenést 2 bity.
Modulace 16-PSK přenese jedním stavem 4 bity, atd.
10
1.5 Princip modulace QAM a QASK
V předchozí kapitole bylo zmíněno, že kvadraturně amplitudová modulace v sobě
zahrnuje dva modulační principy. A to modulaci amplitudovou a fázovou.
Umožňuje tedy přenos dvou signálů ve stejném kmitočtovém pásmu. Z tohoto
vyplývá, že jsme schopni pomocí modulace QAM docílit stejné přenosové
rychlosti při poloviční rychlosti modulační, nebo naopak při stejné rychlosti
modulační dvojnásobnou rychlost přenosovou.
Každým vstupním signálem se moduluje jeden nosný kmitočet (fc). Nosné
kmitočty mají shodný průběh (amplitudu a kmitočet), ale jsou vzájemně fázově
posunuty o 90° (tzn. jsou v kvadratuře – odtud název modulace). Výsledky obou
modulací jsou sečteny v součtovém členu. Při tomto postupu využíváme
ortogonalitu nosných kmitočtů.
Signály jsou ortogonální (vzájemně nezávislé), pokud je jejich vzájemná energie
rovna nule. Jsou-li signály ortogonální podle energie, jsou ortogonální i podle
výkonu (střední výkon součtu signálů je roven součtu středních výkonů signálů).
Princip digitální modulace QASK vychází z modulace analogové – rozdílem je, že
modulátor je buzen digitálním signálem. Například pro modulaci 4-QAM je
vstupní digitální datový tok sdružován do dvojic bitů - tzv. dibitů a rozdělen do
dvou větví (principiálně sérioparalelní převodník) a následným převodem do
analogové formy. Další postup je pak stejný jako u QAM. Blokové schéma
modulátoru QASK je uvedeno na obrázku.
Blokové schéma modulátoru QASK.
11
1.6 Konstelační diagram QAM
Bylo zmíněno, že modulace QAM (respektive QASK) probíhá ve dvou
paralelních větvích. Podle toho, zda modulační signál ovlivňuje přímo nosnou
vlnou či vlnou fázově posunutou, se příslušná větev modulátoru nazývá soufázová
nebo kvadraturní (V angl. In Phase, Quadrature. Jednotlivé větve a signály se
proto označují jako I resp. Q). Signálové prvky QAM je možné interpretovat
pomocí tzv. konstelačního diagramu, který tvoří komplexní rovinu, kde reálná osa
odpovídá ose I a imaginární osa odpovídá ose Q. Konstelační diagram pro 16QAM je uveden na obrázku.
Ideální konstelační diagram pro 16-QAM.
Nevýhodou vícestavových modulací je, že s rostoucím počtem stavů přenášeného
užitečného signálu roste i náchylnost na rušení, které je přítomné v každém
přenosovém kanálu. Jinak řečeno, pro bezchybné přenosy se pro vícestavové
modulace vyžaduje vyšší odstup signálu od šumu (SNR, Signal to Noise Ratio).
V zobrazeném konstelačním diagramu jsou polohy jednotlivých signálových
prvků ideální – vždy stejné. V případě, že se podmínky přenosu zhoršují vlivem
zvyšování úrovně rušení (a tedy snižování SNR), dochází ke kolísání jednotlivých
12
signálových prvků kolem ideální polohy. Názorně je to zobrazeno na následujícím
obrázku. Při příliš vysokém rozptylu poloh signálových prvků, může dojít
i k chybnému vyhodnocení signálového stavu.
Konstelační diagram pro 16-QAM při nižším poměru SNR.
Výhodou modulace QAM je vyšší spektrální účinnost. Modulací QAM tedy
šetříme kmitočtové pásmo potřebné pro přenos.
Konstelační diagram jednotlivých stavů je samozřejmě zaveden i pro ostatní modulační schémata a není
výsadou pouze QAM či QASK.
13
2 Modulace s více nosnými kmitočty
2.1 Základní principy MCM
V jednom z kritérií dělení modulací se uvažuje počet nosných kmitočtů, které se
využívají pro přenos užitečného signálu. Pro klasické analogové nebo digitální
modulace se využívá pouze jeden nosný kmitočet a tedy celé dostupné kmitočtové
pásmo se využívá jako jeden celek. Tyto principy mají tak výhodu ve své relativní
jednoduchosti (například v konstrukci modulátoru a demodulátoru). Nevýhodou
těchto principů může být například nutnost zajistit v celém kmitočtovém pásmu
stejné podmínky přenosu signálu. Tedy stejné hodnoty parametrů útlumu nebo
skupinové rychlosti šíření atd. Zajistit takto konstantní parametry u moderních
tzv. širokopásmových přenosových systémů, s šířkou kmitočtového pásma
několika desítek MHz, může být velký, ne-li neřešitelný problém. Většina
přenosových parametrů kanálu vykazuje určitou kmitočtovou závislost. Přeci jen
nám matka příroda nikdy nedá nic zadarmo.
Modulační principy s více nosnými kmitočty, označované jako MCM
(MultiCarrier Modulation), rozdělují celé dostupné kmitočtové pásmo na
subpásma (subkanály, subnosné, tóny). Každý subkanál je podstatně užší než
celkové kmitočtové pásmo a teoreticky je proto možné provést určité
zjednodušení, které spočívá v možnosti považovat přenosové parametry subkanálu
za konstantní. Subkanály musejí být samozřejmě vzájemně nezávislé, aby se
signály v nich přenášené vzájemně ovlivňovali. Nejjednodušším příkladem
takovýchto systémů MCM může být klasický princip frekvenčního multiplexu
(FDM).
Benefitem MCM je možnost efektivněji využívat celé dostupné kmitočtové
pásmo. V každém subkanálu se mohou nastavovat parametry modulací nezávisle
a je možné tak reagovat na konkrétní podmínky přenosu.
Nevýhodou principů MCM je nutnost velkého počtu paralelních modulátorů
a demodulátorů a tím i neúměrná složitost realizace takovéhoto systému za
pomoci obvyklé součástkové základny.
Principy MCM modulací byly odvozeny již v padesátých letech 20. století.
Technická náročnost však zabránila jejich reálnému využití. Vše se změnilo až
s příchodem číslicové techniky.
14
2.2 Modulačí princip OFDM
Modulační princip označovaný jako OFDM (Orthogonal Frequency Division
Multiplexing) patří do MCM. Reálné rozšíření MCM přišlo až s rozvojem
číslicové techniky. Především signálových procesorů DSP (Digital Signal
Processor) a hradlových polí FPGA (Field Programmable Gate Array). Jejich
pomocí je možné implementovat vhodné výpočetní algoritmy pro číslicové
zpracování signálů v OFDM. Typicky se jedná o algoritmy na výpočet dopředné
a zpětné rychlé Fourierovy transformace (FFT resp. IFFT).
Výhoda plně digitálního zpracování signálu je zřejmá. Není nutná realizace
většího množství paralelních modulátorů a demodulátorů. Není nutné se tak
zabývat například výrobní tolerancí součástek, které modulátor a demodulátor
tvoří. Není také nutné kontrolovat a ladit vstupní či výstupní kmitočtové filtry,
u nichž se vlivem stárnutí součástek mění přenosové parametry.
Další velkou výhodnou číslicového zpracování signálu je i možnost využívání
stovek až tisíců subkanálů v dostupném kmitočtovém pásmu. Aby bylo možné
dosáhnout takovéto počty subkanálů, musela se eliminovat mezera mezi
jednotlivými subkanály klasického FDM. Proto OFDM volí jednotlivé subkanály
tak, aby byly ortogonální. Tím je zaručeno, že maximální hodnota spektra
každého subkanálu leží v místě, kde spektra ostatních subkanálů jsou nulová.
V tomto případě nedochází ke vzájemným interferencím.
Díky ortogonalitě je možné vzájemné překrývání spekter jednotlivých subkanálů.
V každém subkanálu se přenášená uživatelská data modulují klasickou modulační
technikou. Obvykle se pro svou robustnost využívá vícestavová PSK nebo QASK.
V moderních MCM se obvykle používá kvadraturně amplitudové klíčování
(QASK). V literatuře se však velmi často setkáte s označováním klíčování QASK
shodnou zkratkou, jaká je ustálena pro její analogovou variantu – tedy QAM.
15
2.3 Modulátor a demodulátor OFDM
Zdrojová data, která chceme přenášet, jsou dodatečně kódována, například
konvolučním kodérem tak, aby se na přijímací straně zvýšila pravděpodobnost
bezchybného příjmu. Takto modifikovaný datový tok je přiveden do
sérioparalelního převodníku. V něm je sériový tok převeden na N skupin
o v bitech. Kde N je počet subkanálů a 2v je počet stavů modulace v daném
subkanálu, což je obvykle QAM. Následně je vstupní posloupnost bitů vyjádřena
stavem modulace QAM ve tvaru komplexního čísla Si = I+jQ (pro i = 1 .. N), tedy
hodnotami soufázové a kvadraturní složky. Vzestupně seřazené symboly Si
představují obraz výsledného OFDM symbolu ve frekvenční oblasti. Hodnoty Si
jsou následně transformovány IFFT, která z N komplexních čísel vypočte 2N
vzorků reálného signálu OFDM symbolu. Vzorky jsou opět serializovány
a výsledný symbol je v D/A převodníku převeden do analogové formy a upraven
výstupním filtrem. Se vzorkovacím kmitočtem fs, který je dvojnásobný vůči
celkovému kmitočtovému pásmu B, se vzorky vysílají na vedení.
Blokové schéma modulátoru OFDM.
Na vstupu přijímače je nejprve signál kmitočtově omezen a vzorkován
s vzorkovací frekvencí fs. Signál převeden do digitální formy a následné operace
jsou inverzní k operacím na vysílací straně.
16
Blokové schéma demodulátoru OFDM.
17
2.4 Parametry modulačního principu OFDM
U OFDM je celková dostupná šířka kmitočtového pásma B rozdělena na N
subkanálů. Šířka každého subkanálu je pak Δf = B . Modulační rychlost
N
1
v subkanálech odpovídá odstupu mezi nimi Δf =
, přičemž T je doba trvání
T
jednoho symbolu.
Ortogonalitu subkanálů je možné si názorněji zobrazit následujícím obrázkem.
Máme-li totiž signál s obdélníkovým průběhem v časové oblasti (obvyklý tvar
signálového prvku), odpovídá tomu ve spektru průběh funkce f ( x ) = sin ( x ) .
x
Na obrázku je pro jednoduchost zobrazeno pouze sedm spekter subkanálů
(střídající se barvy černá, zelená, červená) a součet výsledného spektra (modrá).
Příklad spektra sedmi subkanálů modulačního principu OFDM.
Pokud budeme mít modulaci s 32 subkanály, a data bychom vysílali
s vzorkovacím kmitočtem fs = 64 kHz, bude šířka potřebného pásma odpovídat
B = 32 kHz. Odstup nosných bude Δf = 1 kHz, což je i rovno teoretické modulační
rychlosti vm. = 1 kBd. Při šestnácti stavové modulaci tak jeden symbol OFDM
přenese 32·4·vm = 128 kbit/s. V praxi se volí určitá rezerva a modulační rychlost je
nižší než odstup nosných, čímž se snižují interference mezi nosnými.
18
2.5 Výhody modulačního principu OFDM
Mezi největší výhody modulačních principů MCM patří jejich velká spektrální
účinnost.
Spektrální účinnost je parametr dávající do vztahu hodnotu přenosové rychlosti
a šířku kmitočtového pásma, které je pro tento přenos potřebné. Spektrální
účinnost je definována jako:
ρ = Vp B ,
bit / s / Hz; bit / s, Hz  ,
kde Vp je přenosová rychlost a B je šířka využívaného kmitočtového pásma.
Příklad spektrální účinnosti vícestavových modulací QAM, která se používá
u OFDM, pro datový přenos o rychlosti 2 Mbit/s je uveden v tabulce.
Spektrální účinnost vícestavových modulací QAM.
Modulace
Šířka pásma [MHz]
4-QAM
1,4
16-QAM
0,6
64-QAM
0,4
Další výhodou při používání modulačních principů s více nosnými je dělením
přenášených dat mezi velký počet subkanálů. Při zachování stejné přenosové
rychlosti přes větší počet subkanálů je možné snížit v jednotlivých subkanálech
modulační rychlost a prodloužit tak dobu trvání symbolového stavu. Tím dochází
ke snížení mezisymbolové interference ISI (Inter-Symbol Interference) a se zvýší
odolnost datového přenosu proti vícecestnému šíření. Což je významná výhoda
především u rádiových přenosů.
Dělení přenášených dat do subkanálů a s tím související snižování přenosové
rychlosti, má pozitivní vliv i na ekvalizaci přijímaného signálu. Ta je méně
náročná a jednodušší, než by tomu bylo v případě příjmu signálu s původní
přenosovou rychlostí.
U radiových přenosů je výhodou modulací s více nosnými také větší odolnost
proti selektivnímu úniku. Tato výhoda opět souvisí s využitím většího počtu
subkanálů. Pokud bude datový přenos v jednom subkanálu narušen přítomností
rušení, je možné vhodným kanálovým kódováním (například dopřednou
chybovou korekcí FEC) tuto chybovost eliminovat.
Únikem (fading) se rozumí kolísání intenzity vlny na přijímací straně, které je
způsobeno měnícími se podmínkami přenosu pro šíření povrchové vlny nebo
prostorové vlny.
Je možné zajistit i zvýšení odolnosti proti mezikanálové interferenci ICI (InterChannel Interference). Uvedeme si dále.
19
2.6 Nevýhody modulačního principu OFDM
Modulační princip OFDM nemá jen výhody. I když nevětší obecná nevýhoda
principů MCM byla překonána vhodnými procesory DSP a algoritmy FFT a IFFT.
U modulačního principu OFDM je nutné dodržovat vzdálenost mezi subkanály,
které se nacházejí blízko sebe. V případě, že vzdálenost subkanálů bude kolísat
(jev označovaný jako jitter), dojde k porušení principů ortogonality a vzniku ISI
a ICI.
Kolísání aktuální polohy (hodnoty) kolem ideální se označuje jako tzv. jitter,
pokud je frekvence změn rovna anebo větší než 10 Hz. Tento jev je také známý
z oblasti přenosové techniky, kdy na přijímací straně dochází ke kolísání aktuální
polohy (času příjmu) symbolového prvku od ideální. Jedná se tedy o parazitní
fázovou modulaci, která může vést ke zvýšení chybovosti nebo i k úplnému
přesušení přenosu.
Pokud se změna polohy děje s frekvencí menší než 10 Hz, označuje se tento jev
jako wander.
Při počtu subkanálů větším než deset, má výsledná OFDM signál charakter
připomínající bílý Gaussovský šum. Může tak docházet k tomu, že některé
amplitudy OFDM symbolů výrazným způsobem převýší střední hodnotu signálu.
Zesilovače na přijímací straně proto musejí mít velký dynamický rozsah. S tím
souvisí i nutnost mnohabitových A/D a D/A převodníků. Zesilovače musejí být
navíc lineární (což výkonové zesilovače obvykle nebývají), aby byly dodržovány
principy ortogonality.
Dalším problémem OFDM je nutnost přesné synchronizace, kdy se musí
obnovovat referenční nosná vlna a časování symbolů (například s využitím
cyklické předpony).
20
2.7 Eliminace vícecestného šíření
Bylo zmíněno, že jedním z přínosů OFDM je odolnost vůči vícecestnému šíření.
Je to z důvodu snížení modulační rychlosti v jednotlivých subkanálech při
zachování stejné přenosové rychlosti jako u modulačního signálu. Interferenční
jevy vznikají různou dobou šíření na (obrázku t1 a t2) signálu v přenosovém
prostředí mezi vysílačem a přijímačem, jeli přenosová cesta přímá bez odrazů od
okolí (LOS, Line-of-Sight) anebo s odrazy (NLOS, Non-Line-of-Sight). Zpoždění
při šíření má negativní vliv při zpracování přijímaného symbolu v přijímači.
Následující přijímaný symbol přenesený cestou LOS, je ovlivněn předchozím
zpožděným symbolem přeneseným cestou NLOS.
Princip vzájemné interference symbolů.
Pro dokonalejší potlačení nežádoucích jevů ICI a ISI je vhodné vysílaný signál
(OFDM symboly) dále upravit. Obvykle se používají následující metody:
•
Ochranná doba mezi symboly.
•
Lineární vyrovnávání v užitém pásmu.
•
Vyrovnávání v základním pásmu.
•
Vektorové kódování/Strukturovaná kanálová signalizace.
Obvykle se používá metoda ochranné doby mezi vysílanými OFDM symboly.
Mezi jednotlivé vysílané OFDM symboly lze vkládat tzv. ochranný interval (GI,
Guard Interval) nebo je možné využívat tzv. cyklickou předponu (CP, Cyclic
Prefix). Princip GI, je relativně jednoduchý. Během doby TGI se nevysílá užitečný
signál a tedy na přijímací straně je čas přijmout následný symbol v době TLOS
bez narušení předchozím OFDM symbolem přijatým v TNOLS. GI tak chrání proti
ISI, nikoliv však proti ICI z důvodu zkrácené doby příjmu TNLOS oproti řádné T.
21
Princip vzájemné interference symbolů a ochrana pomocí GI.
Vhodnějším řešením je využívání CP. Tento princip spočívá ve zkopírování části
konce vysílaného symbolu před jeho začátek. Opožděná složka symbolu na
přijímací straně bude opět spadat do ochranného intervalu, který je tvořen CP
následného OFDM symbolu. Zopakováním CP na začátek se předchází
neúplnému integračnímu intervalu při příjmu symbolu zpožděného signálu, což
zlepšuje ortogonalitu a zabraňuje ICI.
Princip ochrany pomocí CP.
Délka GI či CP musí přesahovat délku impulsní odezvy kanálu. CP je navíc
možno použít pro symbolovou synchronizaci.
Nevýhodou využívání ochranné doby mezi symboly je snižování dosažitelné
přenosové rychlosti. Vhodnější je metoda CP v kombinaci s ekvalízou v časové
oblasti přijímaného signálu pro zkrácení impulsní odezvy kanálu.
22
2.8 Modulace OFDM v praxi – DVB-T a DAB
Používání modulačního principu OFDM se v posledním desetiletí velmi rozšířilo
především v odvětví radiotechniky a telekomunikační techniky. V dnešní době se
mezi nejznámější technologie využívající principů OFDM řadí:
•
digitální distribuce rozhlasu a televize DAB, DVB-T DRM,
•
bezdrátové sítě WLAN dle IEEE 802.11a/g/n/h/ac,
•
buňkové sítě LTE/LTE-A,
•
komunikace v energetických sítích.
V ČR se aktuálně provozují 4 multiplexy, t.j. sítě pozemního digitálního
televizního vysílání, standardu DVB-T (Digital Video Broadcasting –
Terrestrial). Princip OFDM byl zvolen pro svou spektrální účinnost a schopnost
potlačovat ISI. Digitalizace pozemního vysílání s principy OFDM dovoluje
realizovat monofrekvenční sítě (SNF, Single Frequency Network) a tím šetřit
kmitočtové pásmo. Pokrýt stejné geografické území je totiž možné při použití
menšího počtu nosných kmitočtů (vysílačů), než kolik by jich bylo potřeba
u klasického analogového vysílání. Vzájemné interference se řeší metodou
ochranného intervalu. Základní parametry DVB-T vysílání v českých
multiplexech jsou uvedeny v tabulce.
Základní parametry pro modulační princip OFDM a DVB-T.
Parametr
Hodnota
Vysílací mód
mód 8k
Počet subkanálů
6817
Odstup subkanálů
1116 Hz
Šířka TV pásma
8 MHz
Modulace subkanálů
4-PSK, 16-QAM, 64-QAM
Přenosová rychlost
přibližně 19 až 25 Mbit/s
Počet televizních kanálů, které je možné přenášet jedním multiplexem, závisí na
požadované kvalitě obrazové a zvukové informace, kompresnímu mechanismu
a stupni komprese.
U multiplexu 1 se pro obrazovou informaci jednoho televizního programu vychází
ze standardu PAL (720 bodů na řádek, 576 řádků, 25 snímků za sekundu)
a z barevné hloubky bodu 16 bitů. Přenosová rychlost nekomprimovaného
datového toku této kvality je přibližně 166 Mbit/s. Díky kompresi standardem
MPEG2, lze snížit přenosové nároky až na 4 Mbit/s (kompresní poměr 40:1).
Zvuková informace se přenáší také v komprimované podobě MPEG1 Layer I a II
nebo MPEG2 Layer II pro vícekanálový zvuk. Přenosová rychlost datového toku
závisí na vzorkovacím kmitočtu. Pro MPEG 1 Layer II lze zjednodušeně říci, že
se výsledná hodnota pohybuje mezi 32 až 384 kbit/s.
23
Rozhlasový signál v digitální formě (DAB, Digital Audio Broadcasting) je možné
šířit v rámci volné přenosové kapacity televizních multiplexů DVB-T. Je ale
samozřejmě možné budovat obdobnou distribuční infrastrukturu jako u DVB-T,
která bude přenášet pouze DAB. V ČR se využívá především standard
DAB/DAB+ s kompresí MPEG2 nebo MPEG 4. Přenosová rychlost datového
toku může být přibližně od 72 kbit/s do 192 kbit/s podle stupně komprese.
Využívá se obvykle 384, 768 nebo 1536 subkanálů podle módu vysílání. Šířka
subkanálu je 1,5 MHz a v subkanálech se využívá diferenční 4-PSK (D-QPSK)
modulace.
24
2.9 Modulace OFDM v praxi – bezdrátové sítě
WLAN
Bezdrátové sítě zažívají v posledním desetiletí nebývalý rozvoj. Ať už se jedná
o řešení pro realizaci lokální bezdrátové sítě WLAN (Wireless LAN) nebo pro
technologie určené k překlenutí tzv. poslední míle anebo pro buňkové sítě.
Standardy rodiny IEEE 802.11 (Institute of Electrical and Electronics Engineers)
není třeba zdlouhavě představovat. Původně se jedná se technologii, která byla
navržena především pro realizaci bezdrátové lokální sítě WLAN. Pro svou činnost
využívají sítě WLAN obvykle bezlicenční kmitočtová pásma 2,4 GHz a 5 GHz.
S postupem času se standardizovaly jednotlivé varianty doporučení IEEE 802.11,
které se liší svými parametry a mohou tak být i vzájemně nekompatibilní. Dnes se
nejčastěji vyskytují IEEE 802.11 a/h pro venkovní použití a IEEE 802.11g/n/ac
pro použití v objektech. Je možné zkonstatovat, že všechny novější standardy
802.11 používají modulační principy OFDM.
Zařízení pracující dle standardů IEEE 802.11 se označují marketingovou značkou
Wi-Fi (Wireless-Fidelity), což je obdoba na Hi-Fi. Udělení Wi-Fi značky
nějakému zařízení znamená, že splňuje příslušné standardy a je interoperabilní.
Česká republika se stala svým způsobem světovým unikátem, kdy technologie
z rodiny IEEE 802.11 nahrazují jiné technologie při připojování koncových
účastníků k celosvětové síti Internet. V jiných státech se Wi-Fi sítě využívají
opravdu v souladu s původním konceptem, pro budování lokální bezdrátové sítě.
V ČR je až 1/3 všech uživatelů s přístupem k síti Internet připojena pomocí
802.11. Tato technologie tak nahrazuje klasické technologie jako je
ADSL2+/VDSL2, WiMAX nebo optické přípojky.
Technologie IEEE 802.11a/g využívají šířku kmitočtového kanálu 20 MHz.
Reálně se však pro OFDM využívá pásmo 16,25 MHz, které je rozděleno na 52
subkanálů. Celkem 4 se využívají k přenosu dat pro potřeby řízení komunikace,
48 se využívá pro přenos uživatelských dat. Šířka subkanálů je 312,5 kHz. Pro
nejnižší přenosovou rychlost 6 Mbit/s se využívá dvoustavová modulace 2-PSK
(Binary-PSK). Pro nejvyšší rychlost 54 Mbit/s se využívá 64-QAM. Přenosová
rychlost se u IEEE 802.11 vždy nastavuje v závislosti na aktuálních podmínkách
přenosu a může se v průběhu času i dynamicky měnit.
Technologie IEEE 802.11n má možnost změny šířky kmitočtového kanálu.
Základní kanál o šířce 20 MHz je rozdělen na 56 subkanalů (52 pro přenos dat, 4
pro přenos řídících informací). Je možné využívat i šířku kmitočtového kanálu
40 MHz, který je rozdělen na 108 datových a 6 řídících subkanálů. Využívají se
modulace BPSK, QPSK, 16-QAM, 64-QAM a principy vícecestného přenosu
MIMO (Multiple-Input Multiple-Output).
Technologie IEEE 802.11n umožňuje dosáhnout přenosové rychlosti na fyzické
vrstvě až 300 Mbit/s při šířce kmitočtového kanálu 40 MHz a s nejvyšším
modulačním schématem 64-QAM a se dvěma paralelními toky (se čtyřmi toky až
600 Mbit/s). Pro ilustraci je pro režim s rychlostí 300 Mbit/s délka GI = 400 ms.
25
Technologie IEEE 802.11ac jde cestou dalšího rozšiřování kmitočtového pásma
kanálu od 20 MHz až k 160 MHz. S modulačním schématem až 256-QAM
a dvěma až osmi paralelními datovými toky. Kanál o šířce 20MHz se dělí na 64
OFDM subkanálů a kanál o šířce 160 MHz se dělí na 512 subkanálů.
Uváděné přenosové rychlosti se vyskytují na fyzické vrstvě RM-OSI. Bezdrátové sítě WLAN potřebují pro
svůj provoz velkou režii. Informační rychlost proto bývá významně nižší. Na transportní vrstvě je to
například u IEEE 802.11g maximálně 27 Mbit/s, u IEEE 802.11n pak 200 Mbit/s.
Technologie LTE (Long Term Evolution) je určena pro mobilní buňkové sítě. Je
nástupcem dnešní sítě třetí generace UMTS. Na rozdíl od UMTS využívá LTE
principy OFDM s šířkou pásma od 1 MHz do 20 MHz. Počet subkanálů může být
až 2048 s šířkou 15 kHz. Nicméně ne všechny subkanály se povinně během
přenosu musejí využívat. V subkanálech se využívají modulace 4-PSK, 16-QAM,
64-QAM. Při ideálních podmínkách je LTE schopno dosáhnout na radiovém
rozhraní přenosové rychlosti směrem k uživateli 384 Mbit/s a ve směru od
uživatele 86,4 Mbit/s.
Obdobné parametry multiplexu OFDM jsou i u konkurenční technologie WiMAX
(standard IEEE80.16), která proto disponuje stejnými přenosovými parametry.
Technologie WiMAX byla původně určena jako náhrada klasického metalického
vedení v přístupové telekomunikační síti. Měla tvořit technologii pro překlenutí
tzv. poslední míle a připojovat koncové účastníky k poskytovateli
telekomunikačních služeb.
Technologie LTE bývá často mylně označována za technologii pro buňkové sítě 4. generace. Tou však je až
LTE-A (LTE-Advanced), která splňuje příslušné přenosové parametry od organizace ITU-T.
Pro síť 4G je u konkurenční technologie WiMAX určena verze WiMAX IEEE802.16m (jinak označovaná
WiMAX 2.0).
26
2.10 Modulační princip DMT
Modulační princip označovaný zkratkou DMT (Discrete MultiTone) patří, stejně
jako OFDM, mezi modulace s více nosnými. Realizuje se opět za pomoci DSP
a využívá ortogonality subkanálů a algoritmy FFT a IFFT při zpracování signálu.
Přičemž IFFT se využívá při modulaci a převodu signálu z frekvenční oblasti do
časové oblasti. FFT pak při demodulaci signálu a převodu z časové do frekvenční
oblasti. V subkanálech se využívají stejné vícestavové modulace PSK a QAM,
jako u OFDM. Stejně jako u OFDM se do vysílaného signálu vkládají CP pro
eliminaci ISI a zlepšení synchronizace
Jaký je tedy rozdíl mezi DMT a OFDM?
Modulační princip DMT, na rozdíl od OFDM, dovoluje v každém subkanálu
ortogonálního multiplexu používat odlišná modulační schémata nebo i typ
modulace.
Svým způsobem se tak dá zkonstatovat, že v OFDM a DMT využíváme matkou
přírodou nabízené možnosti na realizaci datových přenosů s maximální efektivitou
a umem. S ohledem na stav současné techniky a na ekonomické aspekty.
Navyšování přenosových rychlostí je obvykle možné už jen rozšiřováním šířky
kmitočtového pásma.
27
2.11 Modulační princip DMT v praxi
Modulační princip DMT našel důležité uplatnění v oblasti telekomunikací u tzv.
digitálních účastnických přípojek (xDSL, Digital Subscriber Line). Stávající
přístupové telekomunikační sítě jsou tvořeny především metalickými kabely,
jejichž základním prvkem je tzv. křížová čtyřka respektive symetrický pár. Sítě
tohoto typu byly koncipovány pouze pro přenos hovorového signálu analogové
telefonie. V dnešní době je však nutné poskytovat přes tato přenosová média,
jejichž kompletní výměna například za optická vlákna je enormně nákladná,
i nové služby přenosu dat. K tomuto účelu slouží DSL, které zpřístupňují tzv.
nadhovorové kmitočtové. Přípojek xDSL je obecně více typů tak, aby plnily různé
požadavky různých koncových účastníků.
Je možné konstatovat, že modulační princip DMT se využívá u xDSL přípojek
s asymetrickými přenosovými rychlostmi, kdy rychlost ve směru downstream je
podstatně vyšší než rychlost ve směru upstream. Hlavními zástupci v této
kategorii jsou v dnešní době přípojky ADSL2+ a VDSL2. Parametry modulačního
principu DMT u přípojek ADSL2+/VDSL2 jsou voleny s ohledem na nutnost
vzájemné koexistence těchto přípojek a jiných telekomunikačních služeb na
stejném symetrickém páru. Parametry přípojek, které jsou určeny pro evropský
region, uvádí tabulka.
Parametry přípojek ADSL2+ a VDSL2.
Přípojka
ADSL2+
Přípojka VDSL2
2,208
8
12
17
30
512
4096
2783
4096
3479
Odstup subkanálů [kHz]
4,3125
4,3125
4,3125 4,3125
8,625
Modulace
Max. počet alokovaných
bitů
Modulační rychlost
[kBd]
Max. přenosová rychlost
přes všechny subkanály
[Mbit/s]
QAM
QAM
QAM
QAM
QAM
15
15
15
15
15
4
4
4
4
8
30,72
118,320 166,98 244,140 417,48
Parametr
Šířka kmitoč. pásma
[MHz]
Počet subkanálů
Z tabulky je vidět, již jednou konstatovaný závěr, že navyšování přenosové
rychlosti je de facto možné už jen rozšiřováním využívaného kmitočtového pásma
a tedy zvyšováním počtu subkanálů.
Hodnoty přenosových rychlostí uváděných v tabulce jsou opravdu teoretickými
limity. Reálně dosažitelné přenosové rychlosti vždy závisejí na konkrétních
podmínkách přenosu (na typu a úrovni rušení, na parametrech vedení).
28
2.12 Proces adaptivní bitové alokace
Bylo zmíněno, že výhodou DMT oproti OFDM je možnost používat
v subkanálech různé modulační principy, nebo odlišná modulační schémata stejné
modulace.
Proces adaptivní bitové alokace umožňuje reagovat na konkrétní podmínky
přenosu (např. útlum přenosové cesty, úroveň rušení) tím, že mění počet stavů
vícestavové modulace.
Počet stavů modulace je určen aktuální hodnotou odstupu signálu od šumu na
přijímací straně. Počet stavů modulace určuje počet přenesených bitů jedním
stavem. Při znalosti modulační rychlosti je možné následně určit dosažitelnou
přenosovou rychlost.
Určení počtu stavů modulace se obvykle provádí během počáteční fáze
navazování spojení. Nicméně u moderních přenosových systémů se podmínky
přenosu sledují i v průběhu spojení a pružně se reaguje na případné změny.
Pružnou reakcí se rozumí dynamická realokace bitů v závislosti na změně počtu
stavů modulace subkanálu. Tento proces se označuje jako bit swapping.
U přípojek xDSL lze východiska a postup procesu stanovení bitové alokace
v subkanálech schematicky popsat následovně:
•
Z doporučení ITU-T pro jednotlivé technologie je znám průběh vysílacích
masek spektrální výkonové hustoty (PSD, Power Spectral Density). Vysílací
výkon může být určen poskytovatelem připojení a konkrétně se nastavuje
během počáteční fáze navazování spojení.
•
V další fázi navazování spojení spolupracují koncové zařízení účastníka
(xDSL modem) a poskytovatele připojení (modem umístěný v DSLAM).
Mimo jiného na vyžádání protější strany zasmyčkuje koncové zařízení na své
straně účastnické vedení (symetrický pár). Druhá strana je pak schopna
vysláním širokopásmového pseudonáhodného signálu proměřit útlum
přenosové trasy. Po stanovení útlumu se zjišťuje úroveň přítomného rušení.
Tyto úkony postupně provedou obě koncová zařízení.
•
Ze znalosti základních parametrů přenosového prostředí (útlum, úroveň
rušení) a ze znalosti vysílacích parametrů, je možné pro jednotlivé subkanály
určit SNR na přijímací straně a tím i možný počet alokovaných bitů.
U přípojek ADSL2+/VDSL2 je možné alokovat až 15 bitů na subkanál.
Modulace QAM tedy má 32768 stavů.
29
2.13 Určení počtu alokovaných bitů
Celý postup, závislý na výkonových poměrech na přijímací straně přípojky
(PSDRX), názorně ukazuje obrázek.
Výkonové úrovně při procesu navazování spojení.
U systémů xDSL je hodnota SNR je stanovena tak, aby symbolová chybovost
datového přenosu byla rovna 10E-7, nebo lepší. Tento požadavek je zakotven
v doporučeních organizace ITU-T pro jednotlivé technologie. Při navazování
spojení se však hodnota SNR navíc poníží o tzv. šumovou rezervu (NM, Noise
Margin), která bývá obvykle NM = 6 dB. Z takto „uměle“ snížené hodnoty SNR
se počítá bitová alokace. Vytvoření šumové rezervy je obranný mechanismus proti
nenadálému zhoršení přenosových podmínek vlivem nárůstu rušení. U přípojek
xDSL se jedná především o rušení přeslechy. Pokud by se nevytvořila šumová
rezerva, bitová rychlost by byla stanovena s ohledem na aktuální SNR, ale při jeho
případném snížení by nebyla dodržena požadovaná chybovost datového přenosu.
Následovat by musel proces bit swapping, nebo v horším případě by následoval
rozpad spojení a jeho nutné znovu navazování, což nepříjemně omezuje
koncového účastníka. Uvedený postup vytváření NM je důsledkem charakteru
přenosového prostředí, které je tvořené symetrickými páry v metalickém kabelu
přístupové sítě.
Počet alokovaných bitů na hodnotě SNR je možné analyticky vyjádřit vztahem:
 SNRi ( f ) 
bi = log 2 1 +
,
k
b


30
kde kb je parametr Shannon Gap, který je závislý na přípustné symbolové
rychlosti. Pro chybovost 10E-7, bílý šum, NM = 6 dB a přenos bez využívání
mřížkového kódování, je kb = 38. Počet bitů bi subkanálu i je nebližší nižší číslo.
Výsledná přenosová rychlost vp přípojky se vypočte jako součin rychlosti
modulační vm a sumy počtu všech bitů, přenášených všemi subkanály:
v p = vm ⋅ bi .
i
31
2.14 Výhody adaptivní bitové alokace
Konkrétní modulační schéma se při adaptivní bitové alokaci stanovuje s ohledem
na aktuální podmínky přenosu. Cílem je co nejefektivněji využít dané přenosové
prostředí. Snahou je:
•
Maximalizace přenosové celkové přenosové rychlosti.
•
Minimalizace chybovosti datového přenosu.
•
Minimalizace vysílacího výkonu.
Výše uvedené parametry spolu vzájemně souvisejí, proto jsou při optimalizaci
některé stanoveny na pevnou hodnotu a zbylé je možné měnit. Pevným
parametrem obvykle bývá chybovost datového přenosu (BER, Bit Error Rate). Ta
je pro přípojky xDSL, dle doporučení organizace ITU-T, požadována na hodnotě
BER = 10E-7. Čistě teoreticky bychom tedy mohly měnit dva parametry za
účelem maximalizace efektivnosti.
V reálných přístupových sítích je nutné však zohlednit ještě snahu o poskytování
služeb co nejširšímu počtu koncových zákazníků. Jednotlivé přípojky xDSL,
provozované ve stejném svazku metalického kabelu, se významným způsobem
ovlivňují prostřednictvím tzv. přeslechových vazeb. Přeslechy mezi přípojkami se
projevují jako aditivní šum a snižují odstup signálu od šumu SNR. Pokud se
ponechá bez kontroly parametr celkového vysílacího výkonu, jednotlivé přípojky
budou mít snahu dosáhnout maximální možné přenosové rychlosti právě změnou
tohoto parametru na maximální mez, ale tím budou negativně ovlivňovat jiné
okolní přípojky. Proto je například v ČR druhým pevným parametrem vysílací
výkon. Hodnotu tohoto parametru si obvykle určuje vlastník přístupové sítě
s ohledem na konkrétní topologii a předpokládané služby. Přípojky tuto hodnotu
nesmějí překročit.
Proces alokace bitů pak s ohledem na dva pevné parametry a reální přenosové
prostředí určí optimální modulační schéma.
Dělením kmitočtového pásma na subkanály a adaptivní alokací bitů v subkanálech
se můžeme efektivně bránit například proti radiovému rušení RFI (Radiofrequency Interference), které má silně úzkopásmový charakter.
Radiové systémy působící na xDSL přípojky můžeme rozdělit do dvou kategorií.
V prvé řadě se jedná o rozhlasové vysílače, které vysílají amplitudově
modulovaný signál na krátkých, středních a dlouhých vlnách. Druhou skupinou
radiových vysílačů jsou radioamatérské stanice, které smějí vysílat pouze
v mezinárodně normalizovaných pásmech.
Amplitudově modulované vysílání v pásmu dlouhých vln využívá kmitočtové
pásmo od 150 do 300 kHz. Pásmo středních vln je definováno cca od 0,5 do 2
MHz a pásmo krátkých vln od 6 do 20 MHz. Velmi krátké vlny v pásmu 20 až
300 MHz se používají zejména k přenosu televizního signálu, pásmo
32
rozhlasového vysílání FM zaujímá rozsah 87,5 až 108 MHz, takže leží mimo
pásmo systémů xDSL.
Pokud by nebyla použita modulace DMT, došlo by vlivem přítomnosti RFI rušení
k poklesu SNR v celém využívaném kmitočtovém pásmu. Proces adaptivní
alokace počtu bitů umožňuje i nealokovat bity v případě přítomnosti silného
rušení v konkrétním subkanálu. Pokud k této situaci dojde, přípojka xDSL sice
přijde o část přenosové kapacity, ale ve zbylých subkanálech bez sníženého SNR
rušením RFI je možné využít maximální počet bitů (modulačních stavů). Celková
přenosová rychlost přípojky bude ale vyšší než by tomu bylo bez DMT.
33
2.15 Vektorová modulace – VDMT
Modulace DMT je využívána u přípojek xDSL pro maximálně efektivní využití
potenciálu metalických symetrických párů a umožňuje vhodně reagovat na
existenci úzkopásmového rušení ve využívaném kmitočtovém kanálu. U přípojek
xDSL s modulací DMT, se díky charakteru přenosového prostředí sdíleného
metalického kabelu, mohou dále navýšit dosažitelné přenosové rychlosti za
použití tzv. Vektorové modulace DMT (VDMT, Vectored DMT).
Dominantní složkou rušení, která limituje přenosové rychlosti přípojek xDSL, je
rušení přeslechy.
Přeslech je přenos signálu kapacitními a induktivními vazbami mezi jednotlivými
páry. Takto přenesený signál, například z prvního páru do druhého páru působí
v druhém páru jako negativní rušení a snižuje SNR a tím i výslednou přenosovou
rychlost. Vzhledem k tomu, že zabránit přeslechům není možné z důvodu
konstrukce metalického kabelu a vlastností elektromagnetického vlnění, je nutné
eliminovat účinky přeslechu na přenášený užitečný signál. Eliminace přeslechů
zajistí zlepšení SNR a tedy vyšší dosažitelnou přenosovou rychlost. Podle místa
měření přeslechu, rozlišujeme přeslech na blízkém konci NEXT (Near End Cross
Talk) a vzdáleném konci FEXT (Far End Cross Talk). Přeslech NEXT je možné
eliminovat pomocí frekvenčního dělení směrů přenosu. Velikost přeslechu FEXT
je proto pro přípojky xDSL stěžejní.
Modulační princip VDMT využívá propracovanosti matematického aparátu
popisujícího parametry symetrických párů a vzájemné přeslechové vazby mezi
páry. Při eliminaci je nutné rozlišovat směr přenosu.
Ve směru downstream VDMT využívá skutečnost, že zařízení DSLAM je
společným prvkem pro všechny přípojky xDSL provozované ve svazku
metalického kabelu. V DSLAM tedy máme k dispozici na jediném místě
informaci o DMT symbolech, které budou v následujícím okamžiku vyslány do
úseku metalického vedení (máme tedy vektor hodnot DMT symbolů – proto
vektorová modulace DMT). Vzhledem k tomu, že v DSLAM známe také
parametry jednotlivých symetrických párů a přeslechové vazby mezi nimi (známe
je z procesu navazování spojení), je možné upravit vysílané DMT symboly
s ohledem na přenosové prostředí, kterým budou přenášeny. Na přijímací straně
v modemu koncového účastníka pak budou mít symboly teoreticky ideální průběh
a parametry vhodné pro bezchybnou detekci. Problematika synchronizace vysílání
je také snadněji řešitelná vzhledem k tomu, že DSLAM je centrálním prvkem.
Synchronizace vysílání všech DMT symbolů je nutná. Vysílané symboly na sebe
musejí prostřednictvím přeslechových vazeb definovaně působit, tak jak bylo
vypočteno při jejich úpravě.
Ve směru upstream není možné upravovat vysílaný symbol v koncovém zařízení
účastníka. To by kladlo zvýšené nároky na vybavení a výpočetní výkonnost
koncového zařízení. Navíc koncové zařízení nikdy nemůže mít informace
o symbolech, které jsou vysílány ostatními přípojkami v metalickém kabelu. Proto
je nutné upravovat pouze přijímaný signál opět v DSLAM (centrálním prvku) za
pomoci speciálního bloku potlačovače přeslechů. Důležitou otázkou je také nutná
34
synchronizace vysílání od koncových účastníků směrem k DSLAM s ohledem na
různé délky účastnických vedení.
VDMT je rozšířením modulace DMT na víceuživatelské prostředí, řeší problém
systému typu MIMO a elimininuje přeslech typu FEXT. Přeslech typu NEXT je
eliminován díky frekvenčnímu dělení směrů přenosu.
S ohledem na společné umístění modemů v DSLAM je možné zajistit synchronní
vysílání DMT symbolů ve směru downstream. Zajistit synchronní přenos symbolů
od uživatelů k přístupovému multiplexoru DLSAM je vzhledem k různým délkám
jednotlivých přípojek složitější, ale lze například využít metodu Zipper FDD.
Synchronizace ve směru upstream má paralelu v postupech pro řízení přístupu
k médiu ve sdíleném prostředí bod – mnoho bodů, jako jsou pasivní optické sítě
a radiové sítě LDMS (Local Multipoint Distribution System). Vysílání
v účastnických modemech musí být časováno s respektováním různých dob šíření
signálů po vedení od různě vzdálených účastníků.
Metoda Zipper FDD využívá cyklickou příponu (CS). Ta je na rozdíl od CP
vkládána za DMT symbol. Délka CS musí být rovna nebo větší než je maximální
rozdíl zpoždění v šíření signálu kanály. Zipper metoda eliminuje i zbytkový
přeslech NEXT. Nevýhodou je opět snížení přenosové rychlosti.
Princip synchronizace symbolů přípojek xDSL ve směru upstream.
35
2.16 Výhody a nevýhody VDMT
Hlavní výhoda modulačního principu VDMT byla již zmíněna.
Smyslem modulačního principu VDMT je eliminovat rušení přeslechy a tím
docílit vyšší dosažitelné přenosové rychlosti přípojek xDSL.
Proces potlačování přeslechů se nazývá termínem koordinace. U modulace
VDMT tak hovoříme o koordinaci vysílání jednotlivých přípojek ve svazku
metalického kabelu.
Vzhledem k tomu, že je možné principy a parametry přípojek popsat analytickými
modely, lze relativně jednoduše i spočítat přínosy modulace VDMT. V závislosti
na počtu koordinovaných přípojek se zvyšuje dosažitelná přenosová rychlost
sledované přípojky. Následující simulace byla provedena po přípojku VDSL2
s kmitočtovým plánem B8-13, který má šířku pásma až do 30 MHz. Tento
kmitočtový plán dovoluje běžně docílit přenosové rychlosti nad 100 Mbit/s.
Grafická interpretace navyšování přenosové rychlosti pro směr upstream
a downstream je zobrazena na následujících obrázcích.
Pro potřeby simulace byl uvažován svazek metalického kabelu o 50 symetrických
párech s průměrem žil 0,4 mm (kabel TCEPKPFLE 50x4x 0,4 mm). Přínosy
koordinace byly modelovány i v závislosti na délce účastnické přípojky. Ta se
pohybovala od 0,1 km s krokem 0,1 km do 2 km. Počet koordinovaných přípojek
se postupně zvyšoval od 0 do 49. Přičemž u padesáté přípojky sledujeme
výkonnost přenosu (dosažitelnou přenosovou rychlost). Svazek metalického
kabelu je tedy přípojkami VDSL2 plně obsazen.
36
Přínosy koordinace pro směr upstream a přípojku VDSL2 B8-13.
Přínosy koordinace pro směr downstream a přípojku VDSL2 B8-13.
37
Při analýze přínosů VDMT lze pro tento modelový případ vyčíst, že pro délku
účastnického vedení 0,5 km je možné bez jakékoliv koordinace (plné obsazení
všech párů přípojkami xDSL) dosáhnou ve směru downstream přenosové
rychlosti 16,676 Mbit/s. Pokud budeme koordinovat vysílání naší přípojky a jedné
další přípojky, která způsobuje největší přeslech do naší sledované, budeme
schopni dosáhnout přenosové rychlosti ve směru downstream 19,84 Mbit/s.
Pokud budeme koordinovat vysílání od pěti okolních přípojek, dosáhneme
27,960 Mbit/s. Při koordinaci dvaceti sedmi dosáhneme rychlosti 50,868 Mbit/s.
Pokud budeme provádět tzv. plnou koordinaci přípojek, dosáhne naše sledovaná
přípojka ve směru downstream rychlosti 170,720 Mbit/s. Přínosy VDMT jsou tak
zcela zřejmé.
Modulace VDMT má však i podstatné nevýhody.
Nevýhodou modulace VDMT je vysoká výpočetní náročnost při koordinaci
vysílání.
Principem VDMT je upravit každý aktuálně vysílaný DMT symbol na každém
symetrickém páru s ohledem na aktuální parametry přenosového prostředí. Je tedy
zřejmé, že pro plnou koordinaci všech přípojek s DMT modulací je nutné znát
funkce popisující přeslechové vazby mezi všemi páry vedení, přenosové funkce
jednotlivých vedení a aktuálně vysílané DMT symboly všech koordinovaných
přípojek. Pro metalické kabely s mnoha set symetrickými páry bude provádění
plné koordinace provozu velmi náročné na výpočty související s úpravou DMT
symbolů a na výpočty související se získáváním parametrů přenosového prostředí.
Lze spočítat, že například pouze pro 50 přípojek VDSL2 s počtem subkanálů 4096
a modulační rychlostí 4 kBd se bude muset každou sekundu provést v příslušném
DSLAM jen při úpravách vysílaných DMT symbolů 40,960E9 matematických
operací. Další výpočetní výkon pak je potřeba při navazování spojení, kontrolou
a řízením aktuálních spojení, atd.
Modulace VDMT má přínosy pouze v situaci, kdy v přenosovém prostředí
využívají všechny systémy DMT modulaci.
Tato podmínka vyplývá ze samotného principu VDMT.
38
2.17 Simulace DMT
Je možné si demonstrovat postup při vzniku DMT symbolu. Na vstupu je náhodně
vygenerovaná posloupnost bitů, která tvoří přenášenou zprávu. Simulační
program názorně ukazuje postup při vytváření výsledného DMT symbolu. Pro
jednoduchost a názornost je uvažováno pouze 16 subkanálů. Počet stavů
modulace QAM je stejný pro všechny subkanály a je možné ho měnit pomocí
vstupního formuláře (4-QAM, 16-QAM). Pokud je zvolena 4-QAM, je možné
jedním subkanálem přenést 2 bity, délka vstupní posloupnosti je tedy 32 bitů.
V případě 16-QAM má vstupní posloupnost délku 64 bitů. Pouze pro
připomenutí, v reálných ADSL2+/VDSL2 přípojkách, se jedním subkanálem
přenáší až 15 bitů. Počet stavů modulace je tedy 32 768. V každém subkanálu se
může dle potřeby využívat jiný počet stavů.
V rámci výstupů zobrazuje simulační program postupně, stav modulace QAM
s ohledem na vstupní posloupnost bitů pro daný subkanál a následně pak
konstelační diagram modulace QAM pro konkrétní subkanál. Posledním grafem
výstupů modulace jsou vzorky DMT symbolu (celkem 2x16 vzorků) umístěné na
časovou osu v pořadí dle jednotlivých subkanálů, je přidána CP (červeně) a je
naznačen průběh po D/A převodu a filtraci dolní propustí.
https://matlab.feld.cvut.cz/programy/oppa/163-Modulace_MCM/dmt_vstup.html
39
2.18 Shrnutí MCM
Modulace s více nosnými významným způsobem přispívají k efektivnější realizaci
datových přenosů. S ohledem na své základní principy činnosti, se dokáží
vhodným způsobem vyrovnávat s negativními parametry přenosového prostředí.
Reálné využití MCM modulací nastalo až s příchodem digitalizace a s růstem
výpočetních možností signálových procesorů. V dnešní době jsou MCM
modulace neodmyslitelnou součástí při přenosu dat v moderních přenosových
systémech.
40
2.19 Ověření znalostí
1. Každá zpráva se dělí na:
a) elementy zprávy
b) jednotlivá písmena
c) jednotlivé číslice
d) jednotlivé bity
správné řešení: a
2. Pojem informace je v telekomunikacích chápán jako:
a) nejmenší prvek dělený na zprávy
b) nejmenší prvek dělený na elementy
c) obraz reálného světa vyjádřený formou zprávou
d) informační element dělený na zprávy
správné řešení: c
3. Pro spojitou zprávu je charakteristické:
a) je tvořena elementy
b) elementů je nekonečný počet
c) elementů je konečný počet
d) amplituda elementů je dělitená dvěma
správné řešení: a, b
4. Signálem nazýváme:
a) zprávu rozloženou na jednotlivé elementy
b) konkrétní fyzikální formu zprávy
c) komprimovanou zprávu
d) přenesenou zprávu komunikačním kanálem
správné řešení: b
41
5. Pro diskrétní zprávu je charakteristické:
a) je tvořena elementy
b) elementů je nekonečný počet
c) elementů je konečný počet
d) amplituda elementů je dělitená dvěma
správné řešení: a, c
6. Analogový signál je:
a) spojitý v čase
b) spojitý v hodnotě fyzikální veličiny
c) diskrétní v čase
d) diskrétní v hodnotě fyzikální veličiny
správné řešení: a, b
7. Diskrétní signál je:
a) spojitý v čase
b) spojitý v hodnotě fyzikální veličiny
c) diskrétní v čase
d) diskrétní v hodnotě fyzikální veličiny
správné řešení: c, d
8. Pokud při zachování počtu stavů vícestavové modulace zvýším modulační
rychlost 4x, zvýší se přenosová rychlost:
a) 0,5x
b) zůstane stejná
c) 2x
d) 4x
správné řešení: d
42
9. Obecně můžeme signál přenášet:
a) v dekomprimovaném pásmu
b) v základním pásmu
c) v přeloženém pásmu
d) v realokovaném pásmu
správné řešení: b, c
10. Moulace QAM v sobě kombinuje principy:
a) amplitudové modulace
b) frekvenční modulace
c) fázové modulace
d) pulzně-šířkové modulace
správné řešení: a, c
11. Linkové kódy realizují přenos:
a) pouze v základním pásmu
b) pouze v přeneseném pásmu
c) v základním i přeneseném pásmu
d) v transponovaném pásmu
správné řešení: a
12. Může být při přenosu dat s využitím linkového kódu přenášena
i stejnosměrná složka?
a) ano
b) ne
správné řešení: a
13. Signál, kterým ovlivňujeme nosnou vlnu, nazýváme:
a) modulovaným
b) modulačním
c) informačním
d) transponovaným
správné řešení: b
43
14. Využívá modulace QAM principu ortogonality nosných vln?
a) ano
b) ne
správné řešení: a
15. Diagram s jednotlivými stavy modulace nazýváme:
a) konverzační
b) konstalační
c) konstelační
d) komunikační
správné řešení: c
16. Modulace 16-QAM je schopna jedním stavem přenést:
a) 2 bity
b) 4 bity
c) 8 bitů
d) 16 bitů
správné řešení: b
17. Modulační principy MCM disponují:
a) právě 4 subkanály
b) právě 16 subkanály
c) právě 32 subkanály
d) počet subkanálů není přesně dán
správné řešení: d
18. Jaké modulace se obvykle využívají v jednotlivých subkanálech OFDM?
a) QAM
b) PSK
c) QSK
d) PAM
správné řešení: a, b
44
19. Jak se nazývají jednotlivé větve (a signály) v modulátoru QAM?
a) soufázová
b) vedlejší
c) kvadraturní
d) hlavní
správné řešení: a, c
20. U modulačního principu OFDM odpovídá šířka subkanálu:
a) podílu celkové šířky využívaného kmitočtového pásma a počtu subkanálů
b) přenosové rychlosti
c) převrácené hodnotě vzorkovacího kmitočtu
d) převrácené hodnotě doby trvání jednoho symbolu
správné řešení: a
21. Mezi výhody modulačního principu OFDM patří:
a) využívání nižší šířky kmitočtového pásma než u digitálních modulací
b) vysoká spektrální účinnost
c) odolnost proti vícecestnému šíření
d) odolnost proti rušení
správné řešení: b, c
22. Mezi nevýhody modulačního principu OFDM patří:
a) vyšší nároky na synchronizaci
b) nutnost dodržovat principy ortogonality subkanálů
c) nízká odolnost proti rušení
d) vysoké nároky na používané kmitočtové pásmo
správné řešení: a, b
45
23. Potlačení mezisymbolové a mezikanálové interference na přijímací straně
je možné při použití:
a) nízké modulační rychlosti
b) použitím cyklické předpony CP
c) ochranného intervalu GI
d) vysoké modulační rychlosti
správné řešení: b
24. Výhoda modulačního principu DMT oproti OFDM spočívá v:
a) v užším využívaném kmitočtovém pásmu
b) v nižší modulační rychlosti pro dosažení stejné přenosové rychlosti
c) v možnosti použít odlišná modulační schémata v jednotlivých subkanálech
d) v nižších nárocích na ekvalízu signálu
správné řešení: c
46