（信号与信息处理专业论文）nmt在adsl线路上的工程仿真.pdf

中文摘要 摘要 数字通信技术正在迅速发展，多种通信方式相继出现，但是作为其基础环节 的调制技术却未见到大的改变。早期的脉冲幅度调制( p a m ) 、频移键控( f s k ) 、 移相键控( p s k ) 仍在使用。9 0 年代后期开始用于d s l 的离散多音频( d m t ) 和 当前用于3 g 的c d m a 所基于的多载波原理早在1 9 5 8 年就已经确立。梁德群教授 提出了非正交多重调制技术( n m t ) ，突破了正交性限制，带来了更高的频带利 用率，有可能对数字通信的发展产生巨大影响。 在过去的几十年，宽带数字通信技术在骨干网和各种通信方式方面得到迅猛 的发展：相比之下，用户接入网发展则要缓慢得多，成为整个通信网的“瓶颈”， 特别是高速国际互联网的“瓶颈”。1 9 9 0 中后期开始，数字用户线( d s l ) 技术， 成为解决这“最后一公里”接入瓶颈的主要技术之一。但是，现有的x d s l 存在传 输距离和速率的局限性。n m t 可能克服这一局限性。 为了推进n m t 的实用化，需要进行仿真研究，以验证n m t 的技术可行性。 尽管已经有两届研究生做过一些仿真研究，但是随着对工程要求的迸一步了解发 现欲将n m t 用于实际还需要克服一些技术障碍，并进行更接近工程化的仿真。本 论文的目的是实现n m t 在a d s l 信道上的仿真。 本文主要分析了非正交多重调制技术应用在a d s l 工程线路上的一些性能指 标，例如峰值均值比，并与传统的离散音频调制在同样的仿真条件下进行传送率 的对比，同时利用m a t l a b 的s i m u l i n k 仿真工具箱对该系统进行了模块化仿 真。文中具体的编码技术在基本的n m t 的构造基础上，采用了增加附加波的方法， 解决了原始n m t 编码在线路上的传输失真问题，有效提高了传送率。 关键词：非正交多重调制；离散多音频调制；峰值均值比；附加波 英文摘要 t h es i m u l a t i o no fn m to ha d s ll o o p a b s t r a c t t h ed i 【酉t a lc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g yi sd e v e l o p i n gr a p i d l y ，a n dm a n ym e a n so f c o m m u n i c a t i o na p p e a ro n ea f t e ra n o t h e r h o w e v e r , t h em o d u l a t i o nt e c h n i q u eh a sn o t a c t u a l l yc h a n g e ds i g n i f i c a n t l y t h et r a d i t i o n a lm o d u l a t i o nt e c h n i q u e ss u c h a sp a m ， f s ka n dp s ka r es t i l li nu s e t h ed i s c r e t em u l t i t o n em o d u l a t i o nt e c h n o l o g y ( d m t ) w h i c hs t a r t e dt ob eu s e di nd s li n1 9 9 0 sa n dc d m aw h i c hi su s e di n3 ga r eb a s e do n m u l t i p l ec a r r i e rw a v e sp r i n c i p a l a n di th a sb e e nf o u n d e ds i n c e1 9 5 8 p r o f e s s o rd e q u n l i a n gb r o u g h tf o r w a r dt h en o n o r t h o g o n a lm u l t i m o d u l a t i o nt e c h n o l o g y ，w h i c h b r e a k st h r o u g ht h el i m i t a t i o no fo r t h o g o n a lc h a r a c t e r , b r i n g sh i g h e rs p e c t r u mu s a g e e f f i c i e n c y ，a n dm a y h a v es i g n i f i c a n ti n f l u e n c et od i g i t a lc o m m u n i c a t i o n i nt h ep a s tf e wy e a r s , w i d eb a n dd i g i t a lc o m m u n i c a t i o nt e c h n i q u ei nb a c k b o n ea n d m a n ym e a n so fc o m m u n i c a t i o nw e r ed e v e l o p i n gr a p i d l y ；i nc o m p a r i s o n ，u s e ra c c e s s n e t w o r kd e v e l o p e dm u c hm o r es l o w l ya n db e c a m et h eb o t t l e n e c ko ft h ee n t i r e c o m m u n i c a t i o n sn e t w o r k ，e s p e c i a l l yt h eh i g hs p e e di n t e r a c t s i n c et h em i d d l eo f1 9 9 0 s ， d s lh a sb e e no n eo ft h ew a y st os o l v et h ep r o b l e mo ft h el a s tk i l o m e t e r b u tt h e r ea r e l i m i t a t i o n si nd i s t a n c ea n db i tr a t eo fx d s ln m tc a no v e r c o m et h i sl i m i t a t i o n i no r d e rt o p r o m o t en m tt op r a c t i c a la p p l i c a t i o n ，t h es i m u l a t i o n r e s e a r c hi s n e c e s s a r yt ov a l i d a t et h ef e a s i b i l i t yo fn m t a l t h o u g hm a n yr e s e a r c h e sh a v e b e e nd o n e b ys o m eg r a d u a t es t u d e n t sb e f o r e ，w i t hf u r t h e rs t u d i e so ft h ep r o j e c tr e q u e s t ，m a n y t e c h n i c a lb a r r i e r sm u s tb eo v e r c o m ea n dt h es i m u l a t i o ns h o u l db ed o n ea c c o r d i n gt o p r o j e c tr e q u i r e m e n t t h ea i mi st od os i m u l a t i o no fn m t o na d s l l o o p t h ed i s s e r t a t i o na n a l y s e st h ep e r f o r m a n c eo fn m to na d s l l o o p ，f o ri n s t a n c e ， p a r ，a n dm a k e st h ec o m p a r i s o nb e t w e e nn m ta n dd m to ft r a n s m i s s i o nr a t eu n d e r t h es a m ec o n d i t i o n t h ed i s s e r t a t i o na l s os i m u l a t e st h es y s t e mw i t ht h et o o l b o x s i m u l i n ki nm a t l a b t h es p e c i f i cc o d i n gt e c h n o l o g yw h i c hi sb a s e do nn m ti s a d d i n gt h ea d d i t i o n a lw a v e ，w h i c hs o l v e dt h ep r o b l e mo fd i s t o r t i o ni nl o o p a n d e f f e c t i v e l ye n h a n c e st h et r a n s f e rr a t e k e yw o r d s ：n m t ；d m t ；p a r ；a d d i t i o n a lw a v e 大连海事大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：本论文是在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果， 撰写成硕士学位论文：盟丛! 查鱼里s l 线堕土的王捏笾真：。除论文中已经注明引 用的内容外，对论文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式 标明。本论文中不包含任何未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表或未公 开发表的成果。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名： 年月日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连海事大学研究生学位论文提交、 版权使用管理办法”，同意大连海事大学保留并向国家有关部门或机构送交学位 论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连海事大学可以将 本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或 扫描等复制手段保存和汇编学位论文。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于： 保密口 不保密口( 请在以上方框内打“”) 论文作者签名：导师签名： 卉同毒 日期：年月日 n m t 在a d s l 线路上的工程仿真 第1 章绪论 随着世界范围内信息革命的掀起，通信网络已触及到社会的各个层面，进入 到每个人的生活，通信正向多媒体与个人化方向发展。数字会议电视、高速传真、 可视电话、交互式娱乐及教育节目、互联网、视频游戏、网络购物等业务要求的 出现，使得宽带传输已成为全球组网技术的必然。 至今，宽带数字通信技术在骨干网和通信方式上已经有了飞速的发展，相比 之下，用户接入网则发展缓慢，成为通信网的“瓶颈”。9 0 年代中后期，d s l 技 术成为了解决这一瓶颈的主要技术之一。但现有d s l 技术潜力空间有限，不能满 足接入需求。随着d s l 的推广和普及，其业务的扩展受到传输距离和接入速率的 限制，使他们无法向5 0 以上的广大用户提供d s l 业务，出现接入网铜线业务的 空白地带。在美国，由于用户分散，远距离的用户无法得到a d s l 服务，例如， 上下行对称速率1 0 m 传输距离0 8 公里以上的业务，上下行对称速率2 m 传输距 离3 公里以上的业务，目前技术都无法实现。在中国，由于线间的干扰使一组电 话线中只能允许少量的a d s l 接通，也形成了5 0 的业务服务盲区。为了开拓这 一巨大的业务市场，就需要在通信网络基础结构上寻求新方案和在技术上摸索新 突破，选用更先进的编码方式，数据编码和线路编码，以期实现“d s l 处处通”。 1 1 论文背景 本论文的研究内容来源于国家自然科学基金资助项目( 6 0 2 7 2 0 1 7 ) “移相重叠载 波调制技术相关理论和技术的研究”、辽宁省攻关项目“非正交多重调制技术的 调制解调器物理样机的研制”和大连市攻关项目“基于非正交多重调制技术( n m l ) 的有线宽带接入调制解调器的研制”。 非正交多重调制技术( n m t ) 是一项带有原创性的新的调制技术。目前已有一些 文献“棚及仿真试验对非正交多重调制n m t 在非对称数字用户线( a d s l ： a s y m m e t r i cd j 瞄t a ls u b s c r i b e rl i n e ) 技术、全球协同微波接入( w i m a x ：w o r l d 第1 章绪论 i n t e r o p e r a b i l i t ym i c r o w a v ea c c e s s ) 技术、k a 频段卫星通信等中的仿真性能及特性 进行分析探讨。“。证明了由于n m t 突破了正交性限制，相比于现有的调制技术 显示出多方面的优势。与现在用于a d s l 的传统的调制方式d m t 相比，具有传输 距离远和速率高的优势。可以满足目前铜线接入空白区的业务要求。本论文的主 要目的是，在以前的仿真基础上，解决n m t 在工程实现上所遇到的技术障碍，通 过进一步仿真，探讨用n m t 替代d m t 在远距离上实现更高速率传输的可行性。 1 2 本人所作的工作 主要针对非对称数字用户线路的工程要求，利用m a t l a b 仿真工具，实现 n m t 应用于a d s l 上行和下行的数字通信仿真。同时对传统的用于a d s l 的调制 方式d m t 也进行了同样条件下的仿真。另外，利用m a t l a b 工具箱的 s i m u l i n k ，进行模块化仿真。 论文一项重要工作是用加性波形预处理的方法克服波形失真为n m t 的工程 实现所造成的障碍。为了减小n m t 编码造成的峰值均值比大的问题，采用相位扰 码方法进行降低峰值均值比，满足模拟器件的线性要求。 本文通过仿真远距离的a d s l 线路，利用n m t 这种新型的调制方式，替代原 有传统的d m t 技术，达到了一个更高的传送率，也就说明非正交多重调制技术的 优越性，在工程上有非常深远的意义。 n m t 在a d s l 线路上的工程仿真 第2 章d s l 技术概述 2 1d s l 的由来 所谓d s l ，是英文“数字用户线“( d i g i t a ls u b s c r i b e rl i n e ) 的缩写。它是在普 通的双绞电话线上实现高速数据传输的技术。这一概念是由贝尔实验室在8 0 年代 中提出的”。9 0 年代中期以后开始走向实用。迄今为止，世界各国已相继开发出 了h d s u 高比特率数字用户线) 、s d s l ( 对称数字用户线) 、v d s l ( 甚高速数字用户 线) 、a d s l ( 非对称数字用户线) 与r a d s l ( 速率自适应数字用户线) 等多种不同类型 的d s l 接入技术。我们将它们统称为“x d s l ”，x d s l 接入技术的基础系统架构 与原理基本上是相似的，所不同的只是这几种技术在信号传输速率与距离、具体 实现方式及上、下行速率的对称性等方面有所区别而己。 x d s l 这种传输技术，基本原理就是将模拟环路改造成数字用户线环路，在现 有的铜质电话线路上采用较高的频带和相应的调制技术，来获得高传输速率( 理论 上可达到5 2 m b p s ) 。其中a d s l 是前景最好及竞争力最强的，也是电信公司占领 宽带接入网市场的主要接入技术。它允许在一对双绞铜线上，不影响现有p o t s 电话业务的情况下，进行非对称高速数据传输。利用现有双绞线传输宽带业务， 可保护投资，降低成本，特别适于大量分散的住宅用户。被广泛用于i n t e m e t 接入、 远端l a n 接入、视频点播( v o d ) 、远程教学、多媒体检索等宽带业务的接入与传 输。 2 2 模拟本地环路的主要特点 2 2 1 双绞线特性概述 电话服务起始于1 8 7 7 年，当时只用一根线来传送话音信息，而用大地作为返 回线。这样做的好处是避免了第二根返回线的成本，但是当大地的电阻情况发生 变化时，单线传输的性能就会发生很大变化，所以当时的用户甚至要采用向地面 泼水的方法来保证话音传输的质量。 3 第2 章d s l 技术概述 为解决这一问题，人们提出了对每根传输线增加一根返回线，即用两根线来 传送话音信息的方法，两线之间互相平行，间隔大约是数英寸。这种办法解决了 返回线的可靠性问题，但是线间的串扰又成立严重的问题。所谓线间串扰，是当 在其中一对电话线上进行通话时，会通过电磁场的辐射，耦合到附近其他的电话 线中去，为了解决串扰的问题，贝尔在1 8 8 1 年发明了双绞线，它是把通话所用的 2 根电话线每隔一定的距离进行互相绞合。根据电磁场的理论，这时每根线上的电 磁辐射会被另外一根线吸收，因此可以大大减小线间串扰。此外，为减小传输线 上的电阻，通话采用铜线作为传输介质。在欧洲，也曾在短时间内使用过铝线 但是其电阻较大，因此被放弃了。 在美国，双绞线规格的衡量单位是“美国线规格”( a w g ：a m e r i c a nw i r e g a u g e ) ，它包括1 9 ，2 2 ，2 4 ，2 6 和2 8 等规格。规格的大小表示铜线的直径大小。 表2 1 给出了不同线规格所对应的线直径和直流电阻。 表2 1 双绞线规格 t a b l e2 1m u l t i - p a i rc a b l eg a u g e a w g直径( m m )直流电阻( q k m ) 1 9o 9 15 5 2 2o 6 31 0 0 2 4o 5 1 7 3 2 60 4 2 7 6 2 8a 3 24 2 8 此外，双绞线还可以用“类”f c a t e g o r y ) 来衡量，不同的类表示不同的损失和 串扰性能，类别越高，性能越好。通常告诉数据传输都需要采用3 类以上的双绞 线。表2 2 给出了不同类的双绞线及其所支持的高速数据传输能力。 4 n m t 在a d s l 线路上的工程仿真 表2 2 双绞线类别和特性 t a b l e2 2t h ec a t e g o r ya n dc h a r a c t e ro f m u l t i - p a i rc a b l e 类别 比特率( m b p s ) 应用 1 未定义 2 1 一些低速数据电路( d d s ) 31 6 1 0 b a s e t 以太网和4 m 令牌环网 42 0 1 0 b a s e t 以太网和1 6 m 令牌环网 ，5 1 0 0 1 0 1 0 0 b a s e t 以太网和其他高速铜线技术 2 2 2 用户环路的基本结构 图2 1 所示为用户环路的典型结构。 图2 1 用户环路结构图 f f g 2 1t h es t r u c t u r eo fu s e rl o o p 根据图2 1 ，按照美国的统计资料，中心局的主配线架可提供2 万到1 6 万线 的服务。从主配线架到用户之间的距离，由9 0 在2 2 万英尺( 约6 7 k m ) 之内。主 配线架引出的线称为馈线，馈线上的用户量为1 5 0 0 到4 0 0 0 之间，到用户的距离 有9 0 在9 0 0 0 英尺( 2 7 k m ) 之内。馈线一端与主配线架相连，另一端与交接箱相连。 交接箱到用户的距离为3 0 0 0 英尺( 约9 0 0 m ) ，可提供1 5 0 0 到3 0 0 0 个服务。交接箱 本身是一个无源的连接，从交接箱引向用户的线称为配线。配线中可包含2 5 到1 0 0 0 个线对，从配线到用户是通过一个分线盒，它先把配线分成很多引入线，再连接 5 第2 章d s l 技术概述 到用户。每个分线盒为4 到6 个单元提供服务，而每个引入线中包含2 到3 对双 绞线。这里，分线盒到用户的距离有9 0 在5 0 0 0 英尺( 1 5 k m ) 之内。 从引入线到用户内部之间的接口被称为网络接口器件( n i d ：n e t w o r ki n t e r f a c e d e v i c e ) ，在美国，大约5 0 的用户拥有n i d 。它是电话公司与用户之间的分界线， 通常包括一个过压保护器和一个测试接入接头。在很多其他国家，电话公司与用 户之间的分界线，则是用户端的网络端设备( n t e ：n e t w o r kt e r m i n a t i n g e q u i p m e n t ) 。实际上，n t e 就可以使一个用户端的d s l 收发器。 馈线和配线通常以2 5 对、5 0 对或1 0 0 对双绞线构成线束。在同一个线束内， 不同的电缆之间靠得很紧，且长度较长( 等于一个馈线或配线线束的长度) ，因此显 然同一个线束内的双绞线之间的串扰要远远大于线束之间双绞线的串扰。 2 3d s l 技术的发展 d s l 就是对用户本地环路进行数字化，以便在本地环路的铜双绞线上实现高 速数据传输的技术。d s l 的类型包括i s d n 、h d s l 、a d s l 和v d s l 等。 在早期，模拟本地环路对话音质量的影响并不严重。但是到了2 0 世纪6 0 年 代，随着长话业务的日益普及，话音质量成了一个大问题。因此a t & t 贝尔实验 室决定研究端到端的、完全的数字电话网络，这个计划就是后来综合业务数字网 ( i s d n ：i n t e g r a t e ds e r v i c ed i g i t a ln e t w o r k ) e f t 的数字网络部分。i s d n 的总目标是集 成所有由电话连接的业务( 包括数据) ，并通过一个端到端的数字网络进行传输。由 于交换机的数字化和干线的数字化已经先行启动，因此，i s d n 系统实现中的主要 工作就是使模拟本地环路以及与之相连的模拟交换机数字化。由于i s d n 的主要工 作就是把p s t n 的最后一段即本地环路数字化，因此i s d n 是公认的第一代d s l 技术。 b e l l c o r e 在2 0 世纪8 0 年代中期提出了h d s l ，目的就是解决t 1 应用的物理 限制。h d s l 被称为“无再生器的t 1 e 1 替代模型”( r e p e a t e r l e s st 1 e 1 ) 。b e l l c o r e 的思路仍然是使用2 8 1 q 线编码，只不过要在无再生器的情况下，在1 2 0 0 0 英尺的 ( 约4 k n l ) 单对线上达到7 8 4 k b p s 的传输速率。7 8 4 k b p s 包括1 2 路6 4 k b p s 信道以及 n m t 在a d s l 线路上的工程仿真 1 6 k b p s 信令控制信道。采用h d s l 提供t i e i 服务，对服务提供商和用户都有好 处。主要的好处是对提供商的，而用户则可以从提供商获得间接的好处。首先， 在不需要环路再生器的情况下，h d s l 可以在o 5 m m 铜线上传输1 2 万英尺，在 0 4 r a m 铜线上传输9 0 0 0 英尺。它还可以允许2 个桥接抽头，每个桥接抽头上的线 的长度不长于5 0 0 0 英尺。其次，如果采用更宽的线宽( 2 2 线规或0 6 3 m m ) 或采用 h d s l 再生器，h d s l 的长度可以达到2 6 0 0 0 英尺( 7 9 3 k i n ) 。这种h d s l 再生器成 为加倍器，它比t 1 e l 的再生器更有效，更强大。最后，h d s l 几乎可以应用于任 何场合。c a p 或2 b i q 的h d s l 可以适用于8 0 9 0 的铜线。 到1 9 9 4 年下半年，v d s l 的概念开始出现。这是对a d s l 概念的扩展，它希 望实现最大为5 2 m b p s 的下行传输速率，并且传输速率、传输距离可变。此外， v d s l 要求既可以对称传输，又可以非对称传输。因此，v d s l 是d s l 家族中最 为复杂的技术。 表2 3 和表2 4 给出了v d s l 的主要参数指标。可以看出，v d s l 的传输距离 与传输速率基本上成反比，随着传输距离的增加，传输速率在不断下降。由于v d s l 的传输速率极高，而传输距离相对较近，因此v d s l 通常应用于光纤传输的最后 l k m 距离以内。 表2 3v d s l 非对称传输的指标 t a b l e2 3v d s l g u i d el i n eo f u n s y m m e t r i c a lt r a n s m i s s i o n 长度分类 。r 仃速翠( m b p s )上行速率( m b p s ) 预期目标( 千英尺) 短5 26 41 d b 2 63 23 长1 31 64 5 长 6 5o 8 6 7 第2 章d s l 技术概述 表2 4v d s l 对称传输的指标 t a b l e2 4v d s l g u i d el i n eo fs y m m e t r i c a lt r a n s m i s s i o n 长度分类 下行速率( m b p s ) 上行速率( m b p s ) 预期目标( 千英尺) 短2 62 61 中1 3 1 33 长6 56 54 5 2 4 a d s l 技术 a d s l 技术，即a s y m m e t r i cd i g i t a ls u b s c r i b e rl i n e ( 非对称数字式用户线路1 ， 是一种非对称的传输技术，通过不同的调制方法，在铜缆上实现高速数据传输。 对于通信市场而言，现有的广泛延伸到用户的铜质双绞线网络是实行a d s l 方案 的有利的基础设施。中国有1 4 亿电话用户，全部都是通过铜线接入网络的，这样 庞大的硬件基础是发挥a d s l 技术优势的最佳平台，而且实施a d s l 接入方案无 需对线路进行改造，可以降低额外的开销。因此，利用铜缆电话线提供更高速率 的因特网接入，会更受用户的欢迎。 a d s l 利用普通双绞电话铜线，其上、下行速率具有非对称特性，理论上， a d s l 可在5 k m 的范围内，在一对铜缆双绞线上实现下行速率达8 m b i t s 、上行速 率达6 4 0 k b i t s 的数据传输，能同时提供话音和数据业务，并且a d s l 的实际速率 能根据用户线状况及传输距离进行自适应调整。虽然a d s l 的最大下行速率能达 到8 m b i t s ，但这只是理论数据，因为线路质量和资源占用等问题达不到这么高， 以及基于经济性等方面的考虑，各运营商在开放a d s l 接入业务时都没有提供如 此高的速率。目前各运营商利用a d s l 实现高速因特网接入是提供的下行带宽一 般在2 5 6 k b i t s 1 5 m b i t s 范围。 2 4 1 离散多音调制( d m t ) a d s l 调制技术有三种：正交幅度调制q a m 、无载波幅度相位调制c a p 、离 散多音频调制d m t ，美国国家标准化组织( a n s o 发布的标准t 1 4 1 3 “”是基于d m t n m t 在a d s l 线路上的工程仿真 的，d m t 已经成为国际标准，而c a p 则大有没落之势。下面介绍d m t 的相关知 识。 d m t 是一种正交多载波通带线路编码技术，它将a d s l 下行信道分为2 5 6 个 子信道，上行信道分为3 2 个子信道，每个子信道占用4 3 1 2 5 k h z 的带宽，符号率 是4 0 0 0 b a u d s 。根据信道的性能( 如信噪比、噪声、衰减等) ，即传输数据的能力， 把输入数据自适应地分配到每一个子信道上，每个子信道采用不同星座点数的 o a m 调制。假设存在一个星座图编码器，其输出值仍将是余弦和正弦波幅度，然 而每个星座图编码器将使用不同的正弦余弦频率。所有的正弦余弦波被加在一起 并通过信道送出去，这个波形就是一个简单的d m t 码元。除此之外我们还可以将 星座图编码器的输出映射为矢量中的一个复数，每个矢量点代表一个d m t 码元。 假设可以在接收端分离不同频率上的正弦和余弦波，那么每个波形系列都可以被 独立地解码，其解码方法与o a m 信号解码所使用的方法相同，并且由星座图解码 器输出最终的比特流。如果某一个子信道无法承载数据，则简单地将其关闭；而 对于那些能够载送数据的子信道，则根据其瞬时特性，在一个码元包络内传送 1 1 5 b i t 信息，以获得最佳的传输性能参考1 。 由于双绞铜线的0 1 1 0 4 m h z 的频带是非线性的，不同频率衰减不同，噪声干 扰情况不同，时延也不同。再加上外界环境干扰的存在，在不同时刻对不同频率 上的信号有不同影响。d m t 可根据探测到的信噪比频率曲线自动调整各个子信道 的速率使总体传输速率尽可能地接近给定条件下的最高速率。例如，d m t 理论上 可以每赫兹传送1 5 b i t s 数据，在干扰到来时受干扰的频率上的予信道可能降为 8 b i t s h z ，在不受干扰或干扰较小的子信道上仍然可以保持1 5 b i t s h z 或稍低。 图2 2 表明了d m t 如何自适应线路条件。 9 第2 章d s l 技术概述 嘿户疆艉势蝴 、 串音 ? ( 1 ) 初始憷态各子信道比特分配( 2 ) 信道衰减 ( 3 ) 信道噪声千扰 ( 4 ) 考虑信道巍或后的各子信道比特分配( 5 ) 考息荣声年扰后的各子信道比特分配 图2 2 在不同信道条件下d m t 的比特分配 f i g 2 2d m t b i ta l l o c a t i o nu n d e rd i f f e r e n tc h a n n e lc o n d i t i o n 其中，图( 1 ) 代表发送前每信道满载1 5 b i t 时的理论最大值；图( 2 ) ( 4 ) 分别显示 了考虑信道衰减的信道增益和根据其特性相应的比特分配变化；图( 3 ) ( 5 ) 是考虑噪 声干扰后的信道增益和根据其特性相应的比特分配变化。 通过上例，可以大致归纳不同子信道分配比特数的准则“6 1 是：在具有信噪比 高的子信道内加载较多的比特，在信噪比较低的子信道内加载较少的比特，而在 信噪比特别差的子信道内不加载任何比特，这样分配应该是最优的。在d m t 中， 这种比特分配方法称为“注水算法”“”。根据前面的分析，应该针对不同的子信 道特性进行最优的比特分配。但是不同子信道的特性应如何获得? 这就是信道辨 识问题。在d m t 中，通常采用的还是训练的办法：在每一个子信道都发射训练序 列，这个训练序列在接收端是预先知道的。接收端根据接收到的信号和已知的训 练序列，就可以推断出每个子信道的特性，如信噪比。 现在以2 5 6 个子信道为例介绍离散多音频调制系统的信号处理流程。实现框 图见图2 3 。 1 0 n m t 在a d s l 线路上的工程仿真 比特 输入 比特 输出 图2 3 d m t 实现框图 f i g 2 3f i g u r eo fd m t r e a l i z a t i o n 发送端的主要工作是把传输的数据组成一个数据块，然后根据每个子信道的 质量把这些数据合理地分配到每个子信道，然后经过编码，调制，并经串转换， 数模转换等送到实际的信道中去传输。具体依次执行下列操作： ( 1 ) 输入的串行比特流经串并转换成n 组并行比特流硝b 据每一组并行比特流 子信道f ( f 1 ，n 1 2 ) 的信噪s n r , 分配相应的比特数6 j ，并对每一个并行比特流 的比特数b i 进行星座映射，生成复值符号z ；。 ( 2 ) 对n 2 组比特流取共轭，扩展为n 点h e r m i t i a n 对称向量。 z c o n j ( x , , 。) i - n 1 2 + 1 ，( 2 1 ) ( 3 ) 进行n 点逆傅立叶变换，根据i f f t 性质：具有共轭对称性质的频域复数 序列其m f t 结果为实序列。逆傅立叶变换的作用是将复值符号调制到相应的载波 上。 ( 4 ) 加循环前缀，即复制时域符号的最后v 个，并加在该时域符号前。目的是 消除符号问干扰，实现最优划分。 ( 5 ) 最后，对加了循环前缀的时域符号进行并串转换，串行数据数模转换后， 模拟信号工o ) 传送至信道传输。 第2 章d s l 技术概述 接收端的主要工作是把信道接收到的信号进行解码，恢复原来发送信号。涉 及到时域均衡，串并转换，频域均衡。具体依次执行下列操作： ( 6 ) 接收到的时域连续信号y ( f ) 首先进行模拟低通滤波和数模转换，转换成离 散信号y t 。 ( 7 ) 儿经过一个有限冲激响应滤波器，称为时域均衡器 l e o 。目的是缩短信 道冲激响应长度，和循环前缀一起消除i s i 干扰。 ( 8 ) 对经过滤波后的丸进行串并转换，并去除循环前缀。 ( 9 ) 对去除循环前缀的接收信号进行n 点傅立叶变换，其结果是h e r m i t i a n 对 称的，傅立叶变换的作用是进行解调。 ( 1 0 ) 去除共轭后缀，还原为n 2 个子信道。 ( 1 1 ) 对每个子信道分别进行1 抽头的频域均衡，来调整幅度和相位。 ( 1 2 ) 对均衡后的f f t 输出k 进行解码。 n m t 在a d s l 线路上的工程仿真 第3 章非正交多重调制技术 调制是数字通信系统中的基础环节，这个环节对传输性能起至关重要的作用。 传统的调制方法的理论基础之一是傅立叶分析( 基于小波分析的调制方法正在研究 当中1 。并以此为基础形成了相干或滤波的解调方法。梁德群教授提出了一种非正 交多重调制方法( n o n o r t h o g o n a lm u l t i m o d u l a t i o nt e c h n o l o g y ) ，以下简称n m 1 4 ”。 这种新调制技术的基信号是非正交的，其解调方式不能仅用单一的信号相干得到 对接收到的信号是通过解方程组的方式完成解调。 n m t 同已有的调制方法相比，具有更高的信息传输率，更窄的频带宽度，更低 的能量需求，更小的信号波动范围和更灵活的波形等优点。从而使其可以应用在 有线、无线、移动、卫星等各种通信领域中。 3 1 非正交多重调制技术原理 信号调制解调的模型如图3 1 所示。 图3 1 调制解调模型 f i g 3 1m o d u l a t i o na n dd e m o d u l a t i o nm o d e l 以上调制方法的波形携带的信息量为6 一l o g ：m ( b i t ) ，其中m 为一个码元的 级别数。图3 1 中，一个码元可以有4 个电平幅度，每个码元则携带2 b i t 信息。可 以通过控制波形的幅度，相位，频率来产生不同的波形，从而携带信息。 第3 章非正交多重调制技术 目前应用在x d s l 上的成熟的调制方法中，最有效的是q h r a ( t 交幅度调制， q u a d r a t u r e a m p l i t u d e m o d u l a t i o n l 和m c ( 多载波调制，m u l t i p l e c a r r i e r ) “”1 。 q a m 调制：合成波是由一个正弦波和余弦波对相加而成，它们是正交的。 q a m 解调： a m 一孤删n 争 ( 3 - ) 4 。一孤g ( t ) c o s 争 ( 3 2 ) m c 调制：合成波是由多个正余弦对相加而成，每对间频率相差基频的整数倍。 因此基信号也相互正交。典型的应用是d m t ( d i s c r e t em u l t i t o n e ) 和 o f d m ( o r t h o g o n a lf r e q u e n c yd i v i s i o nm o d u l a t i o n ) 。其解调是多次相干运算。 n m t 这种调制方法，其每个码元是由依次错开一个相位的一些同频分段函数的 正弦子波组成，且子波幅度经过调制携带一定的信息。图3 2 ( a ) 、图3 2 ( b ) 分别给 出了一个子波叠加前后的示意图。( a ) 图中，显示的是八个依次相差一个同大小相 位的不同幅度的正弦波，( b ) 图中显示的是它们的合成波。由于移相重叠载波的各 子波之间相互非正交，所以，相应的解码也不能采用相干解调等传统的方法来完 成。需要用解线性方程组的方法来进行解码。由n m t 结构可以看出，子波数可以 能增加很多。 ( a )( b ) 图3 2n m t 波形 f i g3 2m 盯s i g n a lw a v e n m t 已调发送信号的表达式为 1 4 n m t 在a d s l 线路上的工程仿真 ，( f ) 。荟4 t m ( f 一七f ) ( 3 3 每个码元周期叠加日个子波，吼为随机幅值，m e h ) 为第七个子波，f 为子波 之间的相对时延。 n m t 的解码方法，是在码元周期t 内，分别对各个子波进行相干运算。 伯( f ) s i n ( f 一破- b ( 3 4 ) 备 当取k = 0 ，1 ，2 ，h - 1 时，( 3 4 ) 式相干运算就构成了解线性方程组g x 一口， 其中，g 一 墨， 鬣2 l ： k h l k 1 2 如 k j l ：r 2 k 。 x 2 h ： k h h i 一1 , 2 ，日；，1 2 ，h0 5 ) 解此方程组的解就得到各个子波的幅值。 在方程g x - b 中，由矩阵g 引出了一个与子波波形以及解方程正确性有关的 参考参数一g 矩阵范数。下面对g 矩阵范数做一简单阐述。 由于信号从发送端到接收端解方程的过程中，会受到多方面的干扰和失真， 导致相关求和产生偏差。对于线性方程g x b ，如果占有扰动，表示为b + a b ， g 保持为常数，解x 时就相应地变x + a x ，因此： c ( x 十x ) 一b + a b g x + g a x - b + a b ( 3 6 ) 由此可得 g a x - a b = a z g 4 a b( 3 7 ) 又由矩阵模的性质佃8 5 肛陋8 可得 0 心吲| g 。1 b 0 ( 3 8 ) 以及 删一j i g l l l l x 0 ( 3 9 ) 一 l o l l 。l i s t ( 3 1 0 ) 第3 章非正交多重调制技术 j | g 1 l 表征了解方程矩阵的范数a 根据n m t 的误码率公式： 只t 等驯 ( 3 1 1 ) 其中妒。是g 1 主对角线第i 个元素，由公式( 3 1 1 ) 可知，妒，越大，误码率越大，而 妒。的和越大，解调矩阵的迹越大，其奇异值的和也越大。矩阵的范数也相应较大。 因此，范数越大，方程越趋向病态，解调效果越差，反之，解调效果越好。因此， 如何构造范数较小的相干解调矩阵，成为了n m t 的一个重要问题。 3 2n m t 的技术性能分析 ( 1 ) 信号占用的带宽较窄 ( 2 ) 星点之间的距离小 ( 3 ) 信号的能量需求少 ( 4 ) 频带利用率高 ( 5 ) 合成波的幅度波动小 3 3n m t 的意义 非正交多重调制技术突破了正交性限制，对于组成每个码元的各个子波，在 波形上没有具体严格的限制，这就大大拓宽了构造复合波的空间。这样的编码效 率比现在所有的编码效率要高出很多，只要采样率足够高，重叠的子波数就可以 不受限制，从而较大的提高信息传输速率。 另外从原理上分柝非正交多重调制技术的应用面是相当广泛的，几乎可以覆 盖现有的各种数字通信，比如：对于x d s l 、f d m a 、t d m a 、c d m a 、d m t 等各种有线 和无线传输方式，均可用非正交多重调制技术加以改造，以获得更高的传输速率。 n m t 在a d s l 线路上的工程仿真 第4 章n m t 在a d s l 上的系统工程仿真 4 1 仿真环境 仿真信道是用m a t l a b 模拟的a d s l 工程线路，a d s l 是在双绞线中传输的， 因此信道环境的仿真过程，就是双绞线信道的建模过程；而各种传输干扰，包括 白噪声、串扰等等，也可以利用各种理论分析或实际测量的结果进行建模。 对于双绞线信道，主要有两种数学模型：一种是r l c g 模型，另一种是a b c d 模型。利用这两个模型和传输线的有关理论，可以对任何双绞线信道建立数学模 型，求出其信道的传递函数。 4 1 1r l c g 模型 双绞线是传输线的一种。对于任何传输线，都存在一些最基本的参数，如电 阻( r ) 、电感( l ) 、电容( c ) 、电导( g ) ，这些参数叫做r l , c g 参数。所谓r i c g 模 型，就是利用双绞线的r l c g 参数，来表征双绞线的信道特性。这种模型又称为 双绞线信道的一次模型，这是因为它仅仅提供了双绞线信道的r l c g 参数，而没 有提供双绞线信道的传递函数。但是双绞线信道的传递函数可以根据r l c g 参数 计算出来嘶“1 。 对于# 2 4 、# 2 6 规格的双绞线，当传输频带在话音范围内( 即3 0 h z 3 4 0 0 h z ) ， r l c g 参数可近似认为是常数。对于话带以上的传输频带，电阻、电感、电导参数 随频率而变化，并随双绞线的规格不同，丽电容