HDSL là mạch vòng thuê bao số hóa với tốc độ cao gồm 4 chữ đầu của High-bit-rate Digital Subscriber loop. Kỹ thuật HDSL cho phép ta truyền các số liệu trên đôi dây đồng với tốc độ cao từ 64kbit/s đến 2048 kbit/s.

Mạng thuê bao nối các thiết bị đầu cuối với nhau và nối với mạng thông tin. Từ khi mạng điện báo và điện thoại ra đời khoảng hơn 100 năm trước đây, việc thông tin chủ yếu là chuyển tín hiệu điện báo tốc độ thấp (vài chục đến vài trăm bit) hoặc điện thoại, thì các loại cáp kim loại (đôi dây song song hoặc cáp đồng trục) được coi là phương tiện truyền dẫn tốt nhất, dải tần làm việc của mạng thuê bao điện thoại trong khoảng vài kHz. Từ những năm 1960, mạng thông tin liên lạc của các nước trên thế giới được số hóa, việc nghiên cứu số hóa các tuyến thuê bao (subscriber lines) đã tiến hành từ cuối những năm 1970, phát triển khả năng cung cấp sự kết nối số từ các máy thuê bao gọi đến các máy thuê bao bị gọi. Hơn nữa, mạng thuê bao số hiện đại xử lý tất cả các loại dịch vụ thoại và phi thoại (truyền hình ảnh, truyền số liệu tốc độ cao). Xu thế dịch vụ phi thoại ngày càng tăng trưởng, băng tần tới hàng trăm MHz. Một số biện pháp lắp đặt các phương tiện truyền dẫn mới như cáp quang... để đáp ứng cho việc số hóa các tuyến thuê bao. Trong tổng vốn đầu tư, thiết lập mạng thông tin thì chi phí lắp đặt các thiết bị thuê bao chiếm tới 40% nên việc tận dụng mạng cáp kim loại hiện có để truyền các dữ liệu tốc độ cao cũng là vấn đề mà các nhà khai thác mạng phải nghiên cứu. HDSL là đi theo hướng này.

Nói rộng ra, HDSL thuộc phạm trù mạng thuê bao số hóa với ký hiệu tổng quát là xDSL. Đó là hệ thống đường dây có tốc độ truy nhập cơ sở của ISDN (ISDN BRA: ISDN Basic Rate Access). Với những đôi dây đồng đã được lắp đặt, hệ thống xDSL có khi cung cấp các dịch vụ multimedia tương tác cũng như các dịch vụ Internet cho các thuê bao cố định. Cuối những năm 1980 và đầu năm 1990. ANSI (Bắc Mỹ) và ETSI (của châu Âu) đưa ra tiêu chuẩn tốc độ:

Với yêu cầu là không phải dùng thêm trạm lặp nếu khoảng cách giữa tổng đài nội hạt LEX (Local Exchange) đến thuê bao chưa đến 3-4 km và cũng không phải nâng cấp đường dây.

Trong mục trao đổi này chúng ta sẽ cùng nhau phân tích nguyên lý hoạt động của mạng HDSL và các vấn đề kỹ thuật cơ bản như mã hóa tín hiệu, giảm xuyên nhiễu và nâng cao chất lượng đường truyền.

Các số liệu truyền trên HDSL được mã hóa theo phương thức mã hóa nhiều mức: 2B1Q (2 bít 1 Quaternary) có nghĩa là được biểu thị bằng cứ mỗi tổ hợp 2 mã nhị phân trong 4 mức điện tử như bảng 1.

Bit nhị phân (DIBIT)

Mức ra bốn mức (QUAT)

-1

-3

Phép biến đổi này cho thấy chu kỳ của ký hiệu ra “quat” dài gấp đôi (Hình 1) như vậy tần số của ký hiệu giảm đi một nửa. Tốc độ của ký hiệu (tính bằng band) giảm bằng ½ tốc độ bít của mã nhị phân. Có nghĩa là băng tần truyền thông trên đường dây giảm xuống 1/2.

Từ bảng 1, ta thấy bít thứ nhất của dibit gọi là “bít dấu” (sign bit), nếu bit này bằng 0 thì dấu của ký hiệu quat là âm. Nếu bit đầu của digit bằng 1 thì dấu của quat là dương. Bit thứ hai của dibit gọi là “bit biên độ” (amplitude bit) nó xác định biên độ của quat. Nếu bit biên độ bằng 0 thì biên độ của quat bằng 3. Nếu bít biên độ bằng 1 thì biên độ của quat bằng 1.

Mã 2B1Q có ưu điểm là tốc độ truyền dẫn band (số ký hiệu/giây) bằng ½ tốc độ mã nhị phân (bit/giây). Do đó mật độ phổ năng lượng PSD (Power Spectral Density) chiếm băng tần hẹp trên tín hiệu lưỡng pha (Bitphase) hình 2 cho thấy mật phổ năng lượng của 2B1Q còn hẹp hơn của 4B3T. Độ suy hao của đường dây điện thoại tăng tỷ lệ thuận với tần số mã 2B1Q có băng tần hẹp cho phép ta truyền tín hiện trên cự ly xa hơn với cùng độ suy hao cho phép.

Một nhân tốt ảnh hưởng tới sự truyền dẫn trên đôi dây điện thoại là sự xuyên âm đầu gần NEXT (Near End Crosstalk). Next xuất hiện khi ta truyền dẫn tín hiệu thoại trên đôi dây xoắn nằm trong một bó cáp, tần số của tín hiệu truyền dẫn càng cao thì sự cảm ứng giữa các đôi dây càng tăng. Như vậy, nên chúng ta hạ thấp được băng tần tín hiệu (tức là tập trung mật độ phổ PSD ở dải tần càng thấp) thì ta càng giảm được can nhiễu NEXT.

Mã 4 mức có nhược điểm là ta phải tăng đáng kể tỉ số tín hiệu trên tạp âm SNR để đạt được cùng mức xác suất lỗi (so với mã nhị phân) với lý do là sự phân biệt giữa các mức dễ bị lỗi hơn. Số mức càng tăng thì xác suất lỗi càng lớn. Tuy vậy ưu điểm của mã 2B1Q vẫn trội hơn nhược điểm nên mã 2B1Q vẫn thích hợp với mạng truyền dẫn số tốc độ cao HDSL trên mạng cáp điện thoại đã có sẵn, nơi không cho phép tăng dải thông.

Để nâng cao chất lượng truyền dẫn của mạng HDSL dùng mã 2B1Q người ta còn dùng phương pháp cân bằng thích ứng (adaptive equalization) và triệt tiếng vọng bậc 2 (echo cancellation). Chẳng hạn như hệ T1 Bắc Mỹ có tốc độ bít là 1,544 Mbit/s khi tốc độc truyền là 784 Kbaud. Tốc độ baud không bằng ½ của tốc độ bít vì ta truyền thêm bit sửa sai nhằm thực hiện cân bằng thích ứng.

Sơ đồ cấu trúc modem HDSL dùng mã 2B1Q (Hình 3) là sơ đồ khối minh họa sự biến đổi của luồng tín hiệu giữa 2 thuê bao qua mạch vòng HDSL.

Giao diện tiếp nối với thuê bao có ký hiệu là T1 (trong mạng Bắc Mỹ) hoặc E1 (mạng châu Âu). Như trên đã nói, tốc độ bít của T1 là 1,544 Mbit/s; tốc độ bít của E1 là 2.048 Mbit/s (theo khuyến nghị G.703 của ITU-T). Giao diện E1 còn có nhiệm vụ biến đổi tín hiệu mã HDB3 thành mã NRZ.

Tiếp theo là khởi tạo khung (Framer), tạo ra các khung và đưa thêm các bít đồng bộ và điều khiển. Sau đó tín hiệu được mã hóa thành mã 2B1Q. Dòng tín hiệu 2B1Q được đưa qua hệ thống lọc đáp ứng xung hữu hạn FIR (Finite Impulse Response Filter). Bộ lọc FIR này đổi cách biểu diễn các tín hiệu digital ra dạng sóng analog. Quá trình trên đây còn được gọi là bộ lọc sửa dạng xung. Tiếp theo luồng tín hiệu được khuếch đại rồi đưa tới biến áp vi sai để ghép với đôi dây đồng truyền đến thuê bao đối phương. Khi thu tín hiệu từ đối phương đến, qua biến áp sai động chuyển qua nhánh theo. Trên nhánh này, tín hiệu được biến đổi từ analog sang digital (tức là qua bộ lọc FIR). Sau đó tín hiệu được xử lý cân bằng và triệt tiếng vọng. Như vậy tín hiệu được khôi phục lại dạng xung 2B1Q (như phía đối phương đã phát đi). Tiếp theo tín hiệu được giải mã tức là biến đổi từ mã 2B1Q thành mã NRZ hoặc mã HDB3. Qua giao diện E1/T1 đưa tới thuê bao.

Cũng cần nhấn mạnh rằng cân bằng tự thích ứng là một kỹ thuật quan trọng trong hệ thống HDSL. Tốc độ truyền tín hiệu trên đường dây khá cao, thì thiết lập trạng thái kênh truyền dẫn biến đổi tương ứng. Độ méo dạng xung lúc này khá lớn dẫn tới xuyên nhiễu ISI (Intersymbol Interference) càng tăng.

Do cuộn dây ghép của biến áp vi sai không hoàn toàn cân bằng, trở kháng của dây dẫn phối hợp không tốt và do điện kháng phân bố của đôi dây nên tiếng vọng (echo) xuất hiện. Vì vậy, modem của HDSL phải dùng bộ triệt tiếng vọng EC (Echo canceller) và bộ triệt nhiễu như sơ đồ khối của modem HDSL (Hình 4). Theo chiều thu về tín hiện trên đôi dây, qua biến áp ghép được đưa qua bộ biến đổi A/D khôi phục lại dạng xung. Dãy xung này tiếp tục qua bộ lọc số và được chuyển tới băng tần 900. Nhiễu giao thoa ISI được khử đi nhờ mạch cân bằng hồi tiếp DFE. Tại đây, mạch thực hiện việc chập xung thu về với đáp ứng xung dự đoán. Mạch cân bằng DFE thực hiện việc tiếng vọng bằng cách chập tín hiệu đã phát và đáp ứng xung thu nhận từ đường dây về. Dãy xung 2B1Q từ lối ra của bộ quyết định DU được đưa tới bộ giải mã và tới thuê bao. Quá trình tiếp theo như trên sơ đồ Hình 4.

Bên cạnh mã 2B1Q, một số mạng HDSL dùng phương pháp điều chế biên độ pha không có sóng mang CAP (Combined Amplititude and Phase Modulation).

Luồng số liệu vào được bộ S/P chia thành 2 luồng. Sau khi được chia tốc độ bit của mỗi luồng bằng ½ tốc độ vào. Mỗi luồng đi riêng rẽ qua bộ lọc số FIR. Đặc tính biên độ tần số H(w) của 2 bộ lọc này thì giống nhau nhưng đặc tính pha của chúng lệch nhau 90^o. Tiếp theo 2 dãy xung mã CAP. Mã CAP có đặc điểm tương đồng với tín hiệu điều biên trực giao QAM.

So sánh với mã 2B1Q, thì mật độ phổ công suất của mã CAP có thành phần tần số thấp nhỏ hơn mã lưỡng cực nên xuyên nhiễu không xảy ra. Đặc điểm này cho phép ta truyền một kênh thoại với một kênh số liệu trên cùng một đôi dây đồng.

Mạng dịch vụ tích hợp ISDN phát triển nhanh, với các modem truyền dẫn dữ liệu với tốc độ cao. Ngày nay các modem HDSL thực hiện việc truyền dữ liệu trên đôi dây đồng với tốc độ 704kbaud trên tuyến T1 hoặc 1168 Kbaud trên tuyến E1 khác với ASDL, HSDL truyền cùng tốc độ theo luồng lên và theo luồng xuống.

HDSL còn được dùng làm tuyến T1/E1 kết nối giữa máy thu phát tại trạm gốc BS (của mạng di động) với trung tâm kiểm soát trạm. Hơn nữa, modem HDSL còn được dùng để truy nhập mạng Internet.

Đặc biệt HDSL là phương tiện cho nhiều thuê bao sử dụng trên một đôi dây. Điều này càng có ý nghĩa đối với nước đang phát triển./.