Conceptos técnicos básicos de las tecnologías DSL (2) Luis Merayo Fernández A Fondo Conclusión del ameno viaje a través de las claves básicas de una tecnología esencial en nuestro tiempo. 1.-Modulaciones digitales en el bucle de abonado Para la transmisión a alta velocidad de señales digitales sobre el bucle de abonado se necesitan moduladores/demoduladores (modems) que operen a frecuencias altas (muy superiores a las de la banda vocal). Dado que la atenuación aumenta con la frecuencia, estos modems deberán utilizar transmisores que trabajen con potencias muy superiores a las empleadas por los sistemas de telefonía para compensar la mayor atenuación que introduce el bucle a alta frecuencia. Pero no basta solo con que el transmisor inyecte más potencia en el par. Un sistema DSL deberá resolver el problema de la separación de señales asociadas a cada sentido de transmisión (en un sistema full-duplex) sobre un único par utilizando modulaciones que permitan obtener la mayor eficiencia espectral (el mayor número posible de bits por Hz). En este apartado se describen las técnicas existentes para resolver estos problemas. 1.1.-Transmisión "Full-duplex" sobre un mismo par Antes de pasar a explicar las principales modulaciones empleadas para la transmisión de señales a gran velocidad sobre un par metálico, conviene tener presentes las técnicas que se pueden emplear para la transmisión full-duplex (transmisión simultánea en los dos sentidos) sobre un mismo par de cobre. Las soluciones que se usan son FDD ( Frequency Division Duplexing ) y EC ( Echo Cancellation ). FDD es una técnica de separación de señales mediante la cual se reserva una parte del ancho de banda disponible para la transmisión en cada sentido. Es una técnica relativamente simple que consiste en el uso de portadoras diferentes para cada sentido de la transmisión de forma tal que los espectros de cada una de estas portadoras (moduladas con la información a transmitir) no se solapen entre sí. Esta es la misma técnica empleada en radiodifusión para separar las señales correspondientes a las emisiones de diferentes emisoras. Con EC los dos sentidos de la transmisión utilizan todo el ancho de banda disponible por lo que sus espectros se solapan. La separación de la información asociada a ambos sentidos se basa en restar a la señal que se recibe una muestra de la señal transmitida con el fin de recuperar la señal enviada por el otro extremo. Esta es una técnica compleja pues no se trata de una simple resta de señales, previamente es preciso estimar cuál es el retardo introducido por el bucle. El receptor recibe la señal transmitida por el transmisor situado al otro lado del bucle, más varios ecos de su propia señal de los que es preciso conocer cuál es el retardo con el que llegan sus propios ecos para restar correctamente las señales. Estos retardos se determina n en la fase de establecimiento del enlace mediante secuencias de entrenamiento con patrones conocidos de antemano. 1.2.- Modulaciones digitales para la transmisión a gran velocidad sobre pares metálicos En este apartado se presentan las modulaciones digitales de alta velocidad empleadas por los sistemas DSL para transmitir por el par de cobre. Para una mejor comprensión de los fundamentos e implicaciones de las técnicas de modulación que se van a analizar, se inicia este apartado con una breve introducción (siguiendo una perspectiva histórica) de las modulaciones digitales. 1.2.1.-Modulaciones digitales en banda base Una de las primeras modulaciones digitales utilizadas fue la modulación PAM ( Pulse Amplitude Modulation ) que consiste en la transmisión de pulsos rectangulares con una tensión proporcional al código (secuencia de N bits) a transmitir. Su característica principal es que, al utilizar pulsos rectangulares, el espectro de las señales transmitidas empieza en 0 Hz, concentrándose la mayor parte de la energía transmitida en las bajas frecuencias tal y como se muestra en la siguiente figura.
Este tipo de modulaciones se dice que operan en banda base y, por su distribución espectral, son incompatibles con servicios que operen en bajas frecuencias, como el servicio telefónico básico (de 300 Hz a 3.400 Hz) y los accesos básicos RDSI (de 0 Hz a 80 KHz). 1.2.2.-Modulaciones digitales en paso banda Más adelante aparecieron las modulaciones digitales paso banda. El punto de partida es idéntico: la información a transmitir se envía en forma de pulsos rectangulares de tensión de una duración determinada, y la amplitud del pulso se corresponde con un determinado código. A partir de este punto empiezan las diferencias: los pulsos a transmitir se multiplican (modulan) por una señal sinusoidal (tono o portadora) de una determinada frecuencia (f 0 ). Esta operación hace que el espectro de la señal transmitida se concentre alrededor de la frecuencia portadora tal y como se muestra en la figura Este tipo de modulaciones permite la utilización de técnicas FDD para separar los sentidos de transmisión en sistemas full-duplex sobre un solo par de cobre: basta con usar portadoras diferentes por cada sentido suficientemente separadas entre sí. Si en este tipo de modulación se elige adecuadamente la frecuencia de la portadora, se consigue que la señal modulada no se solape con otras señales transmitidas sobre el mismo par, en particular con el servicio telefónico básico y los accesos básicos RDSI. 1.2.3.-Modulaciones QAM QAM
( Quadrature Amplitude Modulation ) es una modulación paso banda bidimensional en la que el flujo de bits a transmitir se divide en dos nuevos flujos que se denominan componentes en fase y cuadratura. Los bits que integran cada uno de estos dos nuevos flujos se agrupan en símbolos con NF bits para formar los símbolos de la componente en fase y con NC bits para formar la componente en cuadratura. Los símbolos de la componente en fase modulan en amplitud (AM) a una portadora de frecuencia f 0 (cos(2. p.f 0.t)), mientras que los símbolos de la componente en cuadratura modulan en amplitud a otra portadora de la misma frecuencia f 0, pero en contrafase con la anterior. (sen(2. p.f 0.t)). Al ser una modulación paso banda, si se elige adecuadamente la frecuencia de la portadora, se consigue la compatibilidad de la señal modulada en QAM con las correspondientes a los servicios básicos de telefonía (analógica y RDSI), y los sistemas full-duplex DSL que usen QAM sobre un único par podrán separar las señales transmitidas y recibidas mediante técnicas FDD. 1.2.4.-Modulaciones DMT La modulación DMT ( Digital Multi Tone ) es una generalización de la modulación QAM en la que en lugar de tener una única portadora, se emplean N portadoras equi-espaciadas (denominadas subportadoras), cada una de las cuales está modulada en QAM por una parte del flujo total de bits que se han de transmitir. En este tipo de modulación el flujo de bits a transmitir se divide en N nuevos flujos, cada uno de ellos integrado por un número variable de bits, número que depende de la relación señal/ruido estimada para la subportadora correspondiente durante la fase de inicialización. A cada uno de los flujos resultantes se les modula en QAM a su correspondiente subportadora. El conjunto de las subportadoras moduladas en QAM se suman y la señal resultante es la que se transmite por el par metálico. Al igual que la modulación QAM, de la que no es más que una generalización, la modulación DMT es paso banda: si se elige adecuadamente la frecuencia inicial de las subportadoras, se puede conseguir que el espectro de una señal modulada en DMT no se solape con los espectros de señales correspondientes al servicio telefónico básico o al acceso básico RDSI, y que la separación de las señales transmitida y recibida en sistemas full-duplex sobre un único par de cobre pueda realizarse mediante técnicas FDD. La modulación DMT es la que en la actualidad se esta usando de forma mas generalizada como tecnología básica en los modem ADSL comerciales. 2.-Detección y corrección de errores En los sistemas DSL, como en todos los sistemas de transmisión, se producen errores de transmisión que hay que detectar y corregir. En los siguientes apartados se describen las técnicas disponibles para la detección y corrección de errores de manera genérica, y su aplicación particular a los sistemas DSL. 2.1.-Aleatorización (scrambling) La
aleatorización en sí misma no es realmente una técnica para la detección y corrección de errores, pero ayuda al correcto funcionamiento de los restantes subsistemas. En este sentido se puede considerar a la aleatorización como un mecanismo de prevención de errores en todos los sistemas de transmisión digital, y los de transmisión digital sobre par metálico en particular. Los sistemas de transmisión se diseñan suponiendo que el flujo de bits que se transmite (secuencias de 1s y 0s) es totalmente aleatorio. Esta situación en la práctica no siempre se da y son relativamente frecuentes las secuencias largas o cadenas de 0s y 1s consecutivos. Para evitar esta situación se aplica a la secuencia de bits que se transmite una serie de operaciones matemáticas que dan como resultado una secuencia de bits donde las cadenas de 0s y 1s consecutivos no superan en ningún caso una longitud máxima. En el extremo receptor existe un subsistema, el desaleatorizador ( descrambler ) que efectúa las operaciones inversas y permite la recuperación de la secuencia de bits original. 2.2.-Detección y corrección de ráfagas de errores causadas por ruido impulsivo Tal y como se ha descrito anteriormente, el ruido impulsivo causa ráfagas de errores que afectan a varios símbolos consecutivos en los sistemas DSL. Para corregir este tipo de errores se emplean dos técnicas complementarias: codificación FEC y entrelazado. 2.2.1.-Codificación FEC (Forward Error Correction) La codificación FEC es un sistema de detección y corrección de errores en el que se añade a la información a transmitir (símbolo) otra información adicional ( overhead ) que permite la detección y corrección de errores (siempre y cuando el número de bits erróneos por símbolo no supere un determinado número función del overhead añadido). Los codificadores FEC más utilizados son los que usan códigos Reed-Solomon que permiten corregir hasta 16 bytes erróneos sobre un total de hasta 255 bytes. Estos codificadores actúan sobre bloques (símbolos) de L bytes y, mediante una serie de operaciones aritméticas, generan a su salida bloques de R bytes (R > L) introduciendo un overhead o redundancia de R-L bytes. El descodificador Reed-Solomon del receptor, recalculando las operaciones aritméticas, es capaz de detectar la existencia de errores si el número de bytes erróneos es menor o igual que R-L, y es capaz de corregir estos errores si la cifra de bytes erróneos es menor que (R-L)/2. 2.2.2.-Entrelazado (Interleaving) El entrelazado de símbolos no permite por sí mismo la corrección de ráfagas de errores debidas a ruido impulsivo, pero sí que potencia el efecto de los codificadores Reed-Solomon. El entrelazado de varios símbolos sobre los que ya se han aplicado técnicas FEC, hace que los impulsos de ruido afecten a más símbolos con pero sobre un número menor de bytes en cada uno de los símbolos afectados (distribución espacial de las ráfagas). De esta forma el descodificador Reed-Solomon del receptor será capaz de corregir errores en un número de casos mayor, disminuyendo la tasa de errores de bits (BER) efectiva.
La utilización del entrelazado conlleva un incremento de retardo (latencia) en la transmisión. Debido a esta latencia adicional, el entrelazado no siempre se utiliza en los sistemas DSL, especialmente cuando estos sistemas se destinan a servicios sensibles al retardo como pueden ser los servicios interactivos de voz o vídeo. 2.3.-Detección y corrección de ráfagas de errores causadas por interferencia entre símbolos La interferencia entre símbolos (ISI) es la principal perturbación en los sistemas de transmisión digital, como es el caso de los sistemas DSL. La atenuación introducida por el par, y la variación del retardo de transmisión en función de la frecuencia hacen que los pulsos enviados se solapen con los transmitidos inmediatamente antes y después. La ISI supone una disminución de la relación señal/ruido (SNR) a la entrada del receptor de un sistema DSL, y por tanto un aumento de la tasa de errores de bits (BER). Para paliar el efecto de la interferencia entre símbolos y mejorar las prestaciones de los sistemas DSL se emplea la denominada codificación Trellis. La idea que subyace en esta codificación es la siguiente: dada una constelación de señales recibidas, hay una relación señal/ruido SNR determinada y, por lo tanto, una tasa de error asociada a esa relación señal-ruido. Si se usase una constelación con menos puntos manteniendo constante la potencia transmitida, mejoraría la relación señal-ruido y la tasa de error, pero la velocidad de transmisión bajaría. En las codificaciones Trellis lo que se hace es lo contrario: en lugar de reducir los puntos de la constelación, ésta se amplía (típicamente se duplica el número de símbolos, lo que supone añadir un bit más por símbolo) manteniendo la potencia transmitida. Esta filosofía supone en principio ir en contra de lo que se pretende ya que, a priori, la relación señel-ruido disminuye. Sin embargo la información añadida por los códigos de Trellis se codifica teniendo en cuenta los símbolos anteriores, de tal manera que la distancia real entre símbolos aumente respecto a la que se tenía antes de expandir la constelación. De este modo, la relación señal-ruido aumenta y la tasa de errores de bit disminuye. Autor: Luis Merayo Fernández.Telefónica Empresas 3.-Bibliografía Transmission Systems for Communications. Members of the Technical Staff Bell Telephone Laboratories. Bell Telephone Laboratories Incorporated, Revised Fourth Edition (December 1.971). Digital Communications. John G. Proakis. McGraw-Hill International, 2 nd edition, 1.989. Understanding Digital Subscriber Line Technology. Thomas Starr, John M. Cioffi, Peter J.
Silverman. Prentice Hall, 1.999. Recomendation G.992.1 (G.dmt) - Asymmetric Digital Subscriber Line (ADSL) Transceivers. Recomendation G.992.2 (G.lite) - Spliterless Asymmetric Digital Subscriber Line (ADSL) Transceivers. Personal Broadband Services: DSL and ATM. Jim Lane. http://www.protocols.com/papers/pdf/virata_dsl2.pdf The DSL Sourcebook - Third Edition. http://www.paradyne.com/sourcebook_offer/ DSL Forum. http://www.dslforum.org