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北京邮电大学硕士研究生论文 a d s l 均衡技术研究与仿真分析 摘要 信息产业的飞速发展，尤其是因特网的普遍应用，使宽带化成为接 入网的发展趋势。非对称数字用户环路( h d s l ) 技术是目前利用现有接入 网f 双绞线) 进行宽带传输的最佳方式。 a d s l 作为一种速率非对称的铜线接入网技术，它利用数字编码技术 从现有铜质电话线上获取较大数据传输速率，同时又不干扰在同一条线 上进行的常规话音业务。之所以称为非对称是因为该技术将大部分带宽 用来是用户从网上下载信息，而只使用- - + 部分来接受用户上传的信息， 这样就出现了一种非对称的传输模式。采用这样的传输技术不但适用于 用户在访问i n t e m e t 和视频点播时大量的高速数据获取，也可以大大减小 近端串扰( n e ) 汀) 。 d m t 调制是多载波调制的一种重要方式，在有线通信接入技术中得 到广泛应用，如a d s l v d s l 。d m t 调制是把可用带宽分成n 个独立的、 等宽的子信道，根据信道的性能( 如信噪比、衰减等) 即传送数据的能 力把输入数据自适应的分配到每一个子信道上。在l 到n 个子信道中， d m t 采用不同星座点数的q h _ m 调制，星座图编码器的输出仍将是余弦 和正弦波幅度，但每个星座图编码器使用不同的正弦余弦频率。所有的 正弦、余弦波叠加在一起通过信道传送出去。 均衡技术是多载波调制中的关键技术。在d m t 调制技术中，均衡分 为时域均衡和频域均衡两部分。频域均衡器是用来调整每个子信道增益 的，而对符号间于扰的消除是通过时域均衡器完成的。在接收端串接一 个时域均衡器，使信道冲激响应的持续时问不大于循环前缀的持续时间， 这样符号间干扰就被循环前缀完全吸收。由于时域均衡器的性能直接影 响到d m t 调制系统的性能，因此时域均衡的研究是d m t 通信系统的一 个重要内容。 本论文以a d s l - d m t 为研究对象，结合g 9 9 2 1 国际标准和目前国 内外的研究成果，对a d s l 收发器中的关键技术特别是时域均衡算法进 行了深入的研究，并对底层信号处理流程进行了详细的仿真和分析。本 论文的主体由五部分组成。第一章前言，阐述了课题提出的技术背景。 北京邮电大学硕士研究生论文 第二章重点分析了d m t 调制技术，研究了双绞线信道特性、a d s l 初始 化过程，并仿真实现了收发器的信号处理过程。第三章对a d s l 中的关 键技术时域均衡进行了原理性的介绍，并详细分析了传统均衡算法 m m s e 的不足，引入子信道均衡算法并使用计算机仿真实验。第四章结 合自适应滤波原理，仿真实现了基于r l s 、l m s 和两者联合的子信道均 衡器系数自适应性初始化，并就计算复杂度，系统性能进行比较分析， 得出结论。第五章对本论文的工作作出总结。 关键词：非对称数字用户线离散多音频调制最小均方误差时域均衡 子信道均衡最小均方递归最小二乘 i i 北京邮电大学硕士研究生论文 r e s e a r c ha n ds i m u l a t i o no nt i m ee q u a l i z a t i o no f a s y 皿t r i cd i g i t a i s u b s c r i b e rl i n e a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fi n f o r m a t i o nt e c h n o l o g y ( i t ) ，e s p e c i a l l y t h eu n i v e r s a la p p l i c a t i o no fi n t e m e t , b r o a d b a n da c c e s sn e t w o r k s ( a n ) b e c o m em o r ea n dm o r e p r e v a l e n t a s y m m e t r i cd i g i t a l s u b s c r i b e r l o o p ( a d s n i st h eb e s tw a yt oc a r r yo nb r o a d b a n dt r a n s m i s s i o nu t i l i z i n gt h e e x i s t i n ga c c e s sn e t w o r k ( t w i s t e dw i r e - p a i r ) a tp r e s e n t a d s li sak i n do f a s y m m e t r i cc o p p e rl i n e sa c c e s sn e t w o r kt e c h n o l o g y , i t c a i la c h i e v eh i g h e rd a t a r a t e sb yu s i n gt h ed i g i tc o d i n gt e c h n i q u ef r o mt h e e x i s t i n gt w i s t e d - p a i rt e l e p h o n el i n e s ，f u r t h e r m o r e ，i td o e sn o ta f f e c tt h e c o m m o nv o i c es e r v i c ei nt h es a m el i n e 皿1 er e a s o nw h yw ec a l li ta s y m m e t r i c t e c h n i q u ei st h a ti ta s s i g n sm o s tp a r to fi t sb a n d w i d t ht op r o v i d et h ep a t hf o r s u b s c r i b e r sd o w n l o a di n f o r m a t i o na n du s e sal i t t l ep a r to fi t sb a n d w i d t h r e c e i v et h ei n f o r m a t i o nw h i c hs u b s c r i b e ru p l o a d ，t h u si ta p p e a r sak i n do f a s y m m e t r i ct r a n s m i s s i o nm o d el i k et h i s a d o p t i n g t h i sk i n do ft h e t r a n s m i s s i o nt e c h n i q u ei sn o to n l ya p p l i c a b l et oo b t a i nh i g h s p e e dd a t af o rt h e c o n s u m e rt ov i s i tt h ei n t e m e ta n du s e 也ev o ds y s t e m b u ta l s oc a l ll e tu pt h e n e a rc r o s s t a l ko f p o r tc o n s u m e d l y ( n e x t ) t h ed i s c r e t em u l t i t o n ei sa l li m p o r t a n tt y p eo fm c m i ti sm a i n l yu s e di n w i r e l i n ec o m m u n i c 撕o ns y s t e ms u c ha sa d s l v d s l t h em o d u l a t i o no f d m ti st od i v i d et h eb a n d w i d t hi n t oni n d e p e n d e n ta n dt h es a m ew i d e s u b c h a n n e l s ，a c c o r d i n g t ot h ep e r f o r m a n c e ( s u c ha s s i g n a ln o i s er a t i o ， a t t e n u a t i o ne t c ) o ft h ec h a n n e ln a m e l ym ec a p a b i l i t yo ft h et r a n s p o r td a t a a s s i g n se a c hs u b c h a n n e lt ot h es e l f - a d a p t i n go fi n p u td a t al a s t f r o m1 t on s u b c h a n n e l s ，t h ed m ta d o p t sq a mw h i c hh a sd i f f e r e n tc o n s t e l l a t i o n s ，t h e o u t p u to ft h ec o n s t e l l a t i o nd m w i n gc o d e rw i l ls t i l lb et h ed i f f e r e n tf r o mt h e i l l 北京邮电大学硕士研究生论文 r a n g eo fs i n ew a v e ，b u te a c hc o n s t e l l a t i o nd r a w i n gc o d e ru s ed i f f e r e n ts i n e a n dc o s i n ef r e q u e n c y a l lt h es i n ea n dc o s i n e sw a v e so v e r l a pt o g e t h e ra n da r e t r a n s p o r t e dt h r o u g ht h ec h a n n e l e q u a l i z a t i o ni sa ni m p o r t a n ta r e ao fm c mt e c h n o l o g y i nd m ts y s t e m e q u a l i z a t i o n c o n t a i n st w o p a r t s ：t h et i m e d o m a i ne q u a l i z a t i o na n dt h e f r e q u e n c y - d o m a i ne q u a l i z a t i o n f r e q u e n c y - d o m a i ne q u a l i z a t i o na d j u s t st h e g a i n o fe v e r y s u b c h a n n e l i n t e r - s y m b o li n t e r f e r e n c ei sc a n c e l l e db yt h e t i m e - d o m a i ne q u a l i z e r t h et e qi sl l s e dt or e d u c et h ed u m t i o no fs h o r t e n e d c h a n n e ls ot h a tt h ei s ic a nb ea b s o r b e db yc y c l i cp r e f i x b e c a u s et h et e o i n f l u e n c et h ep e r f o r m a n c eo ft h ed m 盯s y s t e m t h er e s e a r c ho nt e qi sa n i m p o r t a n t a r e a b a s e do nt h er e s e a r c ho fa d s l - d m tt e c h n o l o g y , c o m b i n e dw i t h g 9 9 2 1 ，n a t i o n a la n di n t e m a t i o n a lr e l a t e dr e s e a r c h e s ，t h i st h e s i se m p h a t i c a l l y s t u d i e st h et r a d i t i o n a lt i m ed o m a i ne q u a l i z a t i o n a l g o r i t h m ，d i s c u s s e sa e f f i c i e n tt i m ee q u a l i z e r - - p e rt o n et i m ee q u a l i z e ra n dt h e nd r a wt h ec o n c l u s i o n b yc o m p u t e re m u l a t i o n p a r tlg i v e sab r i e f i n t r o d u c t i o no f a d s lt e c h n o l o g y d e v e l o p m e n tb a c k g r o u n d p a r t2i n t r o d u c e sd m tt e c h n o l o g ya r c h i t e c t u r e a n dm a i n l yd e s c r i b e st h er e l e v a n tt e c h n o l o g i e so fd m tm o d u l a t i o n t h e e m p h a s i so fp a r t3i st h es t u d yo ft h et r a d i t i o n a lt i m ed o m a i ne q u a l i z a t i o n a l g o r i t h mm m s e a n di t sp e r f o r m a n c eb a s e do na d s l d m ts y s t e m i ta l s o b r i n g su pt h ep e rt o n et i m ed o m a i ne q u a l i z e rs t r u c t u r ea n dt l l e nd r a wt h e c o n c l u s i o nb yc o m p u t e re m u l a t i o n a c c o r d i n gt oa d a p t i v ef i l t e rt h e o r y , p a r t4 m a i n l yd i s c u s s e st h ea d a p t i v ei m p l e m e n t a t i o no ft h ep e rt o n ee q u a l i z e r , a l s o p r o v i d e st h ec o m p u t e rs i m u l a t i o np e r f o r m a n c ea n dr e s u l t i nt h ef m a lp a r t t h e p a p e rs u m m a r i z e st h ea b o v e dw o r ka n dp o i n t so u ts o m ep r o b l e mw h i c h s h o u l dh ec o n s i d e r e di nf u t u r e k e yw o r d s ：a d s ld m tm m s ep t e ql m sr l s i v 北京邮电大学硕士研究生论文 独创性( 或创新性) 声明 本人声明所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其他人 已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京邮电大学或其他教育机构的学位 或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名：拓带强日期：口缉湖，7 目 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京邮电大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究 生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北京邮电大学。学校有权保留并向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以 公布学位论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存、汇 编学位论文。( 保密的学位论文在解密后遵守此规定) 本学位论文不属于保密范围，适用本授权书。 本人签名： 导师签名： 日期： ! 靠缉f z 丑 日期：丛；生 北京邮电大学硕士研究生论文 1 1 课题研究的背景 第一章前言 基于电话铜缆的x d s l 技术主要包括非对称数字用户线( a d s l ) 技术、甚高速数 字用户线( v d s l ) 、单线对高速数字用户线( s h d s l ) 和以太网数字用户线( e d s l ) 技术。 其中，e d s l 技术在现网中基本上没有应用。a d s l 技术是目前中国主流的宽带接人 技术。 a d s l 是一种通过现有普通电话线为家庭、办公室提供宽带数据传输服务的技 术。它能够在现有的铜双绞线上提供高达8 m b p s 的下行速率和1 m b p s 的上行速率， 传输距离达3 k m - - 5 k m 。a d s l 技术可应用在i n t e m e t 访问、远程l a n 接入、v o d 视频点播、交互式视频游戏等方面。其技术优势在于： a d s l 的最大技术特点在于“不对称性”。a d s l 在下行方向传送高速数字信号 可高达1 5 - 8 m b p s ，是普通5 6 k 拨号m o d e m 的1 5 0 倍，而在上行方向则较低，速率 仅为6 4 0 k b p s 1 m b p s ，这种不对称性是a d s l 被称为“非对称数字线路”的根本原因。 a d s l 上下行速率的不对称性，使其非常适合高速i n t e m e t 接入，做w e b 浏览和文件 下载等应用。上网和打电话互不干扰。a d s l 数据信号和电话音频信号以频分复用 原理调制于各自频段互不干扰。独享带宽安全可靠。a d s l 利用电信深入千家万户 的电话网络，先天形成星型结构的网络拓扑构造，骨干网络采用电信遍布各地的光纤 传输，各节点采用a t m 宽带交换机处理交换信息，独享8 m b p s 带宽，信息传递快速 可靠安全。 a d s l 技术基于g 9 9 2 1 标准、采用离散多音频( d m t ) 线路编码技术。它把可用 带宽( o 1 1 0 4 m h z ) 分成2 5 6 个由频率指示的正交子信道，如图1 一i 所示，输入信号 经过比特分配和缓存，将输入数据划分为比特块，经t c m 编码后再进行5 1 2 点离散 傅利叶反变换( i d f t ) ，将信号变换到时域，随后对每个比特块加上循环前缀( 用于消 除码间干扰) ，经数模变换和发送滤波器将信号送上信道。在接收端则按相反的顺序 进行解码。d m t 利用数字信号处理器，根据信道性能自适应地调整其参数，按照每 个子信道传送数据的实际能力为它分配不同的比特数( 1 1 5 比特符号1 ，不能传送数 据的子信道予以关闭从而使通信容量达至最大。 北京邮电大学硕士研究生论文 图1 - 1 d m t 子信道 采用d m t 调制解调技术具有以下优势： 1 更好的带宽利用率。通过自适应功能，可以调整各个子信道的速率，可以达 到比单频调制高得多的频道速率。 2 可以动态分配带宽。由于所有的传输带宽被分成许许多多的子频道，因此可 根据服务的带宽需要，灵活地决定子频道的数目，按实际需要来分配带宽。 3 抗窄频噪声。只要关闭被窄频噪声所覆盖的子频道，就可克服窄频噪声的干 扰。 4 抗脉冲噪声。在频率上越窄的信号，在时域上便越宽，由于各子频道的带宽 都非常窄，所以各子频道的信号在时域上位为持续时间较长的符号，相对之下，一个 短短的脉冲信号对它的影响自然非常小了。 但基于d f t 的离散多音频调制具有一个弱点，即当各子信道之间的正交性被破 坏时，各子信道之间存在着较大的频谱重叠，导致了子信道之间的功率泄漏，从而引 起了严重的串扰；另外，由于a d s l 使用双绞线，双绞线中存在各种干扰，主要有远 端串音和近端串音，二线回路平衡性不好引起的噪声串音及失真等。由于离散多音 频调制技术本身的弱点，加之信道中的各种干扰，其结果就是在a d s l 系统的接收端 误码率大，传输质量下降，继而引起传输速率的下降。在实验室中，a d s l 的性能正 如理论容限的计算那样，可达8 m b p s ，但在实际环境下多数只能达到1 m b p s 2 m b p s ， 原因之一就是信道中的各种干扰引起的码间干扰和信道干扰。a d s l 系统需要采用称 之为时域均衡的方法来消除码间干扰和信道间干扰。 1 2 课题主要内容和论文组织结构 通信系统中的均衡技术一直是与整个系统性能密切相关的重要研究课题，它能够 补偿信道特性不理想所带来的速率下降和误码损伤，而应用于很多地方。 北京邮电大学硕士研究生论文 在d m t 调制技术中，均衡分为时域均衡和频域均衡两部分，对符号间干扰( i s o 的消除是由时域均衡器完成的。通过在接收端串接一个时域均衡器，使等效信道冲激 响应的持续时间不大于循环前缀( c p ) 的持续时间，从而使i s i 被循环前缀完全吸收。 由于时域均衡器直接影响到d m t 调制系统的性能，因此是d m t 通信技术的一个重 要研究内容。现有的时域均衡方法主要分为m m s e 7 】( m i n i m i z i n gm e a ns q u a r e d e r r o r ) 、m s s n ro 川( m a x i m i z i n gs h o r t e n i n gs n r ) 和m g s n r 例( m a x i m i z i n gg e o m e t r i c s n r ) - - 大类，由于现有方法存在着一些不足，对时域均衡技术的研究、改进是当前 的一个热点。 复杂度不能太高而又必须保证一定的性能是衡量均衡器好坏的标准。本文从降低 时域均衡器计算复杂度和优化性能角度对传统均衡算法进行基于m a t l a b 平台的仿 真分析，对当前热门的子信道均衡技术口t e c r - p e r t o n ee q u a l i z a t i o n ) 进行理论推导和 仿真分析，并针对子信道均衡器的实现提出了简便自适应性实现方法。 本论文即基于a d s l 系统特点和应用，对a d s l 收发器工作原理特别是信道均 衡技术进行了深入的研究、仿真与分析。论文第一章为前言，阐述了课题的研究背景， 及本论文选题的目的和实际意义。第二章详细介绍了离散多音频调制d m t 原理，和 基于d m t 的a d s l 实现技术，是本论文的技术背景和应用环境，并对a d s l 系统物 理层的关键技术进行了研究和仿真分析。论文第三部分对a d s l 中的关键技术时域均 衡进行了原理性的介绍，并详细分析了传统均衡算法m m s e 的不足，引入子信道均 衡算法并使用计算机仿真实验。第四章结合自适应滤波原理，仿真实现了基于r l s 和l m s 的子信道均衡器系数自适应性初始化，并就计算复杂度，系统性能进行比较 分析，得出结论。第五章对本文的工作作出总结。 北京邮电大学硕士研究生论文 第二章a d s l 系统关键技术及仿真 a d s “非对称数字环路) 业务作为目前宽带接入的一种典型应用技术，它利用现 有的电话用户线，通过采用先进的复用技术和调制技术，使得高速的数字信息和电话 语音信息在一对电话线的不同频段上同时传输。 a d s l 最初是在1 9 8 9 年由b e l l c o r e 的j o el e c h l e i d e r 提出来的，随后便引起了广 泛的关注。1 9 9 2 年，美国国家标准协会的t 1 e i 4 委员会正式启动了a d s l 的标准化 工作，并于1 9 9 5 年底通过了a d s l 的第一个正式标准一a n s it 1 4 1 3 。1 9 9 4 年成立 了由电信设备制造商、半导体公司、电话公司参加的行业性组织一a d s l 论坛( a d s l f o r u m ) ，进一步促进了制造商间的协作和a d s l 的标准化进程。国际电信联盟( i t u ) 于19 9 8 年加入到制定a d s l 标准的行列中。它与制定包括v 3 4 在内的音频m o d e r n 规范的标准化组织是同一个机构。u 制定的关于a d s l 的条款包括： g d m t ( g 9 9 2 1 ) ：主要是基于t 1 4 1 3 的方案； g 1 i t e ( g 9 9 2 2 ) ：针对于较低速率以减少a d s l 应用复杂性的方案。主要是去 掉远端的分离器； g h s ( 0 9 9 4 1 ) ：在g d m t 和gl i t e 标准的调制解调器间实现互通所需 握手过程的标准； g 9 9 5 1 ：丌u 制定的关于a d s l 各种标准的概述； g t e s t ( g 9 9 6 1 ) ：针对于指定x d s l 技术测试规范的方案： g p l o a m ( g 9 9 7 1 1 ：x d s l 物理层管理规范。 本章节将基于国际标准g 9 9 2 1 ，对a d s l 系统结构，a d s l 调制解调技术d m t ， 以及a d s l 收发器工作流程作一全面的研究，并使用m a t l a b 工具【2 2 】进行了相关的 仿真分析。 2 1a d s l 系统结构 a d s l 系统【2 主要由局端设备( d s l a m - - d i g i t a ls u b s c r i b e rl i n e a c c e s s m u l t i p l e x e r ) 和用户端设备( c p e - - c u s t o m e rp r e m i s e p r o v i d e de q u i p m e n t ) 组成，如图 2 1 所示。 局端由d s l a m 接入平台、d s l 局端卡、语音分离器、i p c ( 数据汇聚设备) 等组 成。语音分离器将线路上的音频信号和高频数字调制信号分离，并将音频信号送入电 4 北京邮电大学硕士研究生论文 话交换机，高频数字调制信号送入d s l 接入系统：d s l a m 接入平台可以同时插入 不同的d s l 接入卡和网管卡等；局端卡将线路上的信号调制为数字信号，并提供数 据传输接口；i p c 为d s l 接入系统提供不同的广域网接口，如a t m 、帧中继、t 1 e 1 等，这些设备都设在电话系统的交换机房中。 用户设备由d s lm o d e m 和语音分离器组成，d s lm o d e m 对用户的数据包进行 调制和解调，并提供数据传输接口。分离器将数字服务与话音服务分开，话音信号通 过r j 1 l 插口接入电话；常见的a d s l 用户端设备( a t u - 】为a d s l 调制解调器，它 将分离器分离出的数据业务接入，提供以太网接口，接入用户计算机a t u r 也可提 供1 0 b a s e - t 接1 2 1 ，接入局域网或其他接口。a d s l 局端通过a d s l 局端设备( d s l a m ) 接入网络的服务端，它可以带有与a t m 交换机、t c p i p 路由器、局域网及数字视频 服务器等其他接口，分离器将话音业务接入p s t n 。 电话局蜡平台 璐u i j 用户螭 t 【卜c 局端卡 尿 、1 。l 需豳 图2 - 1 a d s l 系统示意图 2 2a d s l 多音频调制技术 当前，以离散多音频( d m t ) 、正交频分复用( o f d m ) n 和离散小波多音( d w n i t ) 为代表的多载波技术越来越受到人们的关注。这是因为只要满足各个子信道互相正交 的条件，就可以大大提高频谱利用率。同时，因为数据流被分配到互相独立的子信道 中，信号码元宽带也随之增大，这就大大降低了噪声及码间干扰对传输的影响。更为 有利的一点是，由于调制解调过程中可以使用l e f t 算法，使得运算复杂度大为降低。 a d s l 国际标准所确定使用的d m t 线路调制方案属于多载波调制( m u l t i c a r r i e r m o d u l a t i o n , m c m ) 技术的范畴，目前基于多载波调制思想的调制方案已应用于多个 领域，成为现代通信技术中的一类新兴而且重要的调制方案。 北京邮电大学硕士研究生论文 2 2 1 多载波调制的基本思想 通信系统设计的基本问题就是在发射机功率和接收机复杂性限制条件下，如何更 有效地利用信道带宽来实现可靠信息传输。为了消除信道特性非理想引起的码间干扰 ( i n t e r - s y m b o li n t e r f e r e n c e , i s i ) ，单载波系统中接收端需要采用复杂的均衡器设计，特 别是在信道特性发生变化或存在严重脉冲干扰时，单载波系统性能会发生严重恶化。 针对单载波调制方式的这些不足，在2 0 世纪5 0 年代提出了多载波调制的概念。 多载波调制是将信道的可用带宽划分许多个子信道，将来自同一信息源的信息分 别分配到每一个子信道，对各子载波进行独立调制。当划分的子信道数足够多时各子 信道带宽很窄，其传递函数可近似视为幅频平坦、相频线性且相互独立，可以实现无 码间干扰传输。从时域角度来看，多载波系统通过串并转换等效于延长了符号周期， 从而提高了抗脉冲噪声和快衰落的能力。因此多载波传输系统降低了对系统均衡器的 复杂性的要求，同时提高了系统灵活适应信道的能力。多载波系统可以看作为多个单 载波系统的并行传输，其基本思想类倾于频分复用( f d m ) 调制。虽然多载波调制概念 旱在四十多年前就己经提出，但由于实现起来过于复杂，多载波调制技术在这之后相 当长一段时期里都没有能够进入广泛的实际应用。 多载波调制的主要实现方式就是正交频分复用( o r t h o g o n a lf r e q u e n c yd i v i s i o n m u l t i p l e x i n g , o f d m ) 调制。与传统频分复用调制不同的是，o f d m 调制在选择各子载 波间隔时，使任何两个子载波在整个符号周期内的乘积之和为零即各个子载波之间相 互正交，虽然各个子信道的信号频谱相互重叠，也能在解调端无失真地复原，大大提 高了频谱利用率。理论分析指出，当载波间隔等于符号持续时间倒数的整数倍时可满 足正交条件： j c o s ( 2 z f 。, ) c o s ( 2 z t f 啦) d t = 0 当玛刀2式( 2 1 ) 其中z 为符号周期。为实现最大频谱利用率，一般取子载波间隔为符号周期的倒数即 1 厂= 喜。1 9 7 1 年w e i n s t e i n 首先提出使用离散傅立叶变换( d f t ) 执行基带调制，解调【3 】， 1 j 勾勒出现代o f d m 系统的雏形，多载波调制技术才开始逐渐步入广泛应用的阶段。 o f d m 符号周期延长了n 倍叫为子信道数) ，它对无线信道中的多径干扰有很 强的抵御能力。故而早期的研究和讨论集中于o f d m 调制在无线环境中的应用， o f d m 调制也在这些方面取得了很大的发展，如目前已被欧洲地面数字电视广播 p i g i t a lv i d e ob r o a d c a s t - t e r r e s t r i a l ，d v b t ) 等数字音视频广播标准采纳为调制方式标 北京邮电大学硕士研究生论文 准。此外o f d m 还在无线局域网标准i e e e 8 0 2 1 l a 和h i p e r l a n 2 中被采纳，并已由 o f d m 论坛提议作为下一代宽带固定无线接入技术的候选传输调制方案【4 】 离散多音频调制在本质上与正交频分复用调制是一致的，只是由于不同应用环境 使它们在一些具体参数和实现方式上有所不同。在单向的无线广播通信方式下， o f d m 调制中各子信道承载相同比特数，主要采用q p s k 或m q a m 等数字调制方 式。a d s l 所使用的双绞线传输媒质在整个传输频段内衰减变化很大，而支路所产生 的多径效应相对于无线信道小得多，而且a d s l 的点对点双向通信方式，允许通信双 方根据当前信道特性交换设置信息。所以d m t 可以根据每个子信道的传输特性的理 想程度分配不同的比特数和传输能量，对每个子信道进行不同星座点数的独立q a m 调制，从而可以最大限度地利用信道。所以我们也可以把d m t 看作是应用在特定环 境下的一种o f d m 的特殊形式。d m t 调制的这种优异特性使得它在基于市话双绞铜 线的数字用户线应用中广受关注，特别是在a d s l 技术上成功使用之后，使得多载波 调制技术的应用愈加广泛。 2 2 , 2d m t 调制解调系统 在a d s l 系统中，d m t 将1 1 m h z 带宽分成2 5 6 个相等的子信道，每个子信道 占用4 3 1 2 5 k n z 带宽。通常，子信道l 6 用于传输4 k h z 模拟话音与d m t 信号之间 的保护频带。3 2 个信道( 一般从子信道7 开始) 用作上行信道，采用f d m 结合回波抵 消，保留一些信道用于网络管理和性能测试，余下2 1 8 个下行信道用于传送信息。每 个子信道都单独采用q a m 编码方式，而且每个信道都要监视它的性能和差错，每个 信道都根据自身的信道特性和环境调节，自适应调节传输速率。如果某个子信道的质 量下降以致影响系统的纠错性能，可降低该子信道的数据速率，把多余的信息转移到 其他噪声低的子信道。当某个子信道噪声过大时，可将其关闭。 d m t 实际上是频分复用( f d m ) 的一种形式，输人数据流被分到n 个具有相同带 宽但中心频率不同的通道。使用多个窄带通道有很多好处，首先，所有通道都独立而 不必考虑线路特性，因此每个通道能被单独编码；其次，对每一通道编码的优化易于 实现；再有，经过d m t 调制能够使线路容量接近于由香农定律计算出的、理论上的 线路容量。 d m t 调制在发送端和接收端的原理图如图2 2 所示。 7 北京邮电大学硕士研究生论文 图2 - 2d 岍调制解调原理图 首先将频带( 0 1 1 0 4 m a z ) 分割为2 5 6 个由频率指示的正交子信遒( 每个子信道占 用4 k i - i z 带宽) ，各个子信道内的频谱可以近似地认为是平坦地，子信道问的噪声可 视为相互独立。每个子信道有一对正交载波，对数据流进行调制，所以d m t 又称为 多载波调制。输入信号经过比特分配和缓存，将输入数据划分为比特块，经t c m 编 码后再进行5 1 2 点离散傅利叶反变换( i d f t ) 将信号变换到时域，这时比特块将转换成 2 5 6 个q a m 子字符。其中采用t c m 编码，实际上是在q a m 的基础上进行卷积编码， 以实现纠错功能，译码时采用“最大似然v e t e r b i 软判决”( 即采用最小欧几里德距离， 而不是汉明距离) 。为了消除码间干扰，i f f t 变换后( 发送端采用逆变换i f f t ，接收 端采用f f t ) ，还要对每个比特块加上循环前缀，经数据模变换( d a ) 和发送滤波器将 信号送上信道。在接收端则按相反的次序进行接收解码。 d m t 技术与一般的o f d m 技术的区别在于：由于a d s l 环境中可以有一条速 率较低的反向信道，通过一定的初始化训练，可将信道的特性参数传回发送端，发送 方根据以上参数，对不同的子信道分配不同的比特熟，从而使系统对信道的自适应性 大大增强。 2 3d m t 调制关键技术 2 3 1d m t 子信道比特分配算法 从本质上讲，d m t 技术是在每个子载波上采用q a m 调制编码技术。众所周知， 信道容量取决于该信道的带宽及信噪比，d m t 信道频段是双绞线中性能较恶劣的频 段，信道干扰大，等频段间隔的各个子信道性能并不完全一样，必须根据各个子信道 的具体性能来确定分配的比特数。位装载表定义各子信道所应携带的位流的数目。它 是在系统启动时通过对各子信道进行信噪比测量，然后根据测量值确定各子信道所应 北京邮电大学硕士研究生论文 传输的信息位数。按a d s l 标准，各子信道所能携带的位数为o 一1 5 位，高信噪比的 子信道可以携带较多的信息位，低信噪比的子信道所能携带的信息位较少或者不携带 信息位。d m t 自适应性地在各子信道中分配信息位，既提高了信息的传输速率，又 有效地抑制了噪声的干扰。在接收端解码时，根据位装载表进行与发射端编码时相反 的操作，从各子信道恢复所传送的数字信息。 为了使d m t 系统性能最佳并使传输速率最大，从理论上讲，应使信道能量分布 满足所谓的“注水分布”( w a t e rp o u r i n gt h e o r e m ) 。但从实际应用考虑，这种方法又是 难以实现的。 一般情况下，可以采用一种简单方法来计算：d m t 符号中的每一个载波承载0 1 5 b i t 数据，分配原则是信噪比高的信道分配较多比特数，反之分配较少比特数。其 计算公式1 5 j 为： 6 ( f ) ：l 0 9 2 ( 1 + s n r ( i ) ，)式( 2 2 ) 1 式中，6 ( f ) 为每个信道分配的比特数；r 是所使用编码方案的增益，它是误码率 和系统性能容限的函数，粗略计算时f 可取为1 0 d b 。因为在比特分配时有舍入，所 以要乘以适当的增益。 2 3 2 星座编码 在每个载波上利用了q a m 的调制技术之后，由于双绞线的物理限制，在速率较 高的情况下，传输性能并不能达到要求。要想在提高速率的同时保证质量，就自然想 到了采用t c m 编码的方法来提高系统性能，它可带来3 5 d b 的增益。t c m q a m 的实质就是将编码、调制作为整体来考虑，以寻求最好的性能。同时考虑这种星座编 码的复杂性，在标准中规定，也可以采用不含格形码的星座编码方式。 对含有格形码的编解码方式分几个步骤：比特抽取，比特转换，子集分割和星座 编码。在比特抽取过程中，对于来自d m t 码缓存的数据字节，应按照排序后的比特 分配表扛抽取。由于采用了韦氏1 6 状态4 维格形码，考虑到码字的4 维特性，抽取 应基于连续的对扛，而不是逐个抽取( 但在无格形码时，应逐个抽取) 。 无格形编码的星座编码设计与含有格形编码的编码器设计基本相同，只是去掉了 格形编码的过程，按照排序后的比特分配表囊，对来自d m t 码缓存的数据字节进行 抽取。对于一给定载波，比特从缓存器中抽取出来，并形成一个二进制码字，然后按 照标准中的规则进行星座对应。 9 北京邮电大学硕士研究生论文 2 3 3 调制 ( 1 ) 子载波划分 在经过了比特分配、卷积编码、星座编码后，接下来要完成的任务是调制。根据 i t u - t 建议，在a d s l 中允许使用最多2 5 5 个载波( 频率n a f ，甩= l 2 5 5 ) 。使用 的子载波间的频率间隔4 厂应为4 3 1 2 5 k h z 。若使用回波消除( e c ) 来分离下行和上 行信号，则捍的下限由a d s l p o t s 分离滤波器决定；若使用频分复用器( f d m ) ， 下限由下、上分离滤波器决定。同时还定义了一个奈奎斯特频率的载波( 第2 5 6 号) ， 但它不应用于数据，其他可能的应用有待于研究。 ( 2 ) 通过离散傅立叶变换( i d f t ) 调制 a d s l 最终实现多载波传输就在于它通过离散傅立叶变换( 1 d f t ) 实现调制，进 一步，它又利用了数字信号处理中f 肿f t 技术使得应用成为可能。调制传输定义 5 1 2 个实数值矗与z 之间的关系： 铲 s n 。p l 、篆 z f 其中行2 。卅 靴哪 星座编码和增益比例只生成2 5 5 个z l 的复数值。为了生成的实数值，应该扩充输入 值( 2 5 5 个复数值加直流分量0 和一个使用奈奎斯特的实数值) ，这样矢量z 就有共轭 对称性。也就是， z f = c o n j ( z 5 1 2 一f ) 其中i = 2 5 7 5 11 式( 2 - 4 ) 在a d s l 标准中，发送端是5 1 2 点的i d f t ，所以在接收端也是5 1 2 点的d f t ， 根据i d f t 变换公式得d f t 变换公式，则毛与五之间的关系： z r2 嗟e d 一篆卜其忙- 黼， 由于所得互是共轭对称的，所以只需要取其中前面0 - - 2 5 5 个互即可。 ( 3 ) 循环前缀 可以看到，发送的字符块比特流经过子信道比特分配、编码、卷积之后，非零长 度增加了，其增加的部分造成码元样值重叠。为了消除其码间干扰，i d f t 变换之后， 还要加入c p 。i d f