（测试计量技术及仪器专业论文）基于ofdm的宽带网测试技术研究.pdf

摘要本文主要研究了o f d m ( 正交频分复用) 的基本原理及其在a d s l ( 非对称式数字用户环线) 宽带接入领域的应用。对d m t ( 离散多音频) 调制解调、数据的信道解码以及复杂系统的过程控制等问题进行了深入的理论分析，在此基础上提出了a d s l 信号采集卡的总体计方案。该采集卡能够在不影响用户正常通话和上网的情况下，从电话线路中分离出a d s l 信号，经过采集、数字解调和信道译码，最后将恢复出来的a t m 信元通过以太网上传至计算机做进一步分析处理。为a d s l 线路的故障诊断提供了更为丰富可靠的参考数据。文中给出了a d s l 信号采集卡的硬件实现方案。通过采用模块化设计方法，使系统具有较高的稳定性和可靠性，同时也便于并行展开设计工作。通过合理选用a f e ( 模拟前端) 芯片、以太网控制器等高性能器件来实现各个模块的功能。特别是选用f p g a 作为系统的中央处理器，利用其强大的功能和灵活的设计方法，实现复杂的数据处理和过程控制。在满足基本功能的前提下，本文提出的方案可最大限度地简化设计、节约资源、降低成本。重点研究了a d s l 系统的信道差错控制编码技术，包括v i t e r b i 译码、r e e ds o l o m n译码和c r c 校验( 循环冗余校验) 。提出，适合f p g a 硬件实现的译码算法，并利用f p g a开发软件对译码算法进行了时序仿真。详细论述了a d s l 系统的三种同步技术( 采样同步、帧同步、超帧同步) ，并对同步算法进行了理论推导，提出了基于f p g a 硬件的同步实现方案。关键词：o f d m宽带接入网v i t e r b i 译码同步最大似然估计f p g a第1 页a b s t r a c tt h i sp a p e rm a i n l yd i s c u s s e st h ep r i n c i p l e so fo 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 u l t i p l e x i n g ) a n dt h ea p p l i c a t i o ni nt h ef i e l do fa d s l ( a s y m m e t r i c a ld i g i t a ls u b s c r i b e rl o o p )b r o a db a n da c c e s s i n gt h et e c h n o l o g yo fd m t ( d i s c r e t em u l t i p l et o n e s ) ，c h a n n e ld e c o d ea n dc o m p l i c a t e dc o u r s ec o n t r o la r ed e e p l ys t u d i e d t h ep a p e rd e m o n s t r a t e st h em a c r op r o j e c td e s i g no fa d s ls i g n a la c q u i s i t i o nc a r d t h ec a r dc a np i c k u pt h ea d s ls i g n a lf r o mo n ep o s ( p h o n eo l ds y s t e m ) s u b s c r i b e rw i t h o u ti n f l u e n c eo ft h eu s e r si n t e r n e ts u r fa n dp h o n ec a l l f i n a l l yi tw i l ls e n dt h ea t mc e l lw h i c ha r ed e m o d u l a t e da n dd e c o d e df r o mo r i g i n a ls i g n a lt op cv i ae t h e r n e ti tw i l lp r o v i d em o r ed e p e n d a b l et e s td a t af o rt h ed i a g n o s i so f f a i l u r ei nt h ea d s ll i n e t h eh a r d w a r ed e s i g no fa d s ls i g n a la c q u i s i t i o nc a r di sg i v e ni nt h ep a p e r t om e e tt h ew h o l ep e r f o r m a n c eo fs y s t e ma n dm a c r od e s i g no ft h es y s t e m ，m o d u l a r i z i n gd e s i g ni su t i l i z e dt h ep i e c e so fh i g hp e r f o r m a n c ec h i ps u c ha sa r e ( a n a l o gf o r w a r de n d ) a n de t h e r n e tc o n t r o l l e ra r eu s e d e s p e c i a l l y , f p g ai su s e da st h ec o r eo p e r a t i o nd e v i c ei nt h es y s t e mt a k ea d v a n t a g eo fi t sp o w e r f u la n df l e x i b l ep e r f o r m a n c ec a p a b i l i t i e s ，t h ec o m p l i c a t e di n f o r m a t i o np r o c e s s i n ga n dc o u r s ec o n t r o lr r eb o t ha c h i e v e di tm a k e st h ed e s i g nm o r es i m p l e ，l e s sr e s o u r c e sa n dl o w e rp r i c eb yt h eu t i l i z eo f f p g a t h r e ek i n do fc h a n n e le n c o d e d e c o d et e c h n o l o g i e sa r er e s e a r c h e dw h i c ha r et c m ( t r e l l i sc o d e dm o d u l a t i o n ) a n dv i t e r b id e c o d e ，r e e d s o l o m ne n c o d e d e c o d ea n dc r c ( c y c l i cr e d u n d a n c yc h e c k ) t h ea r i t h m e t i cf o rf p g ah a r d w a r ea r eg i v e n ，t o g e t h e rw i t hs o f t w a r es i m u l a t i o n sf i n a l l y , t h ep a p e rs e t t l e st h ep r o b l e m so ft h r e ek i n do fs y n c h r o n i z a t i o ni nt h ea d s ls y s t e m ( s a m p l es y n c h r o n i z a t i o n , a d s lf r a m es y n c h r o n i z a t i o na n ds u p e r f r a m es y n c h r o n i z a t i o n )k e y w o r d s ：o f d mb r o a db a n da c c e s s i n gn e tv i t e r b id e c o d es y n c h r o n i z a t i o nm a x i m u ml i k e l i h o o de s t i m a t ef p g a第1 1 页独创性声明本人声明所呈交的学位论文是我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的地方外，论文中不包含其他人已经发表和撰写过的研究成果，也不包含为获得国防科学技术大学或其它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谢意学位论文题目：基王垒型数宽鲎圃捌这茧盛蟹窥学位论文作者签名：蘧幽日期：2 峭年1 1 月劫日学位论文版权使用授权书本人完全了解国防科学技术大学有关保留、使用学位论文的规定本人授权国防科学技术大学可以保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子文档，允许论文被查阅和借阅；可以将学位论文的金部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文( 保密学位论文在解密后适用本授权书)学位论文题目：基王! ! 趔数宽堂圆型这技盔盟盔学位论文作者签名：盗硅豳日期：, 2 0 0 中年1 月劫日作者指导教师签名：瑙星套日期：易彳年，月彤日1 1 10 f d m 技术的特点第一章绪论1 10 f d m 技术简介正交频分复用( 0 f d m ) 技术是一种多载波数字调制技术，因各子载波在频谱上存在正交性而得名。o f d m 起源于2 0 世纪5 0 年代中期，6 0 年代就已经形成了使用并行数据处理和频分复用的概念。1 9 7 1 年，w e i n s t e i n 和e b e r t 把离散傅立叶变换( d f t ) 应用到并行传输系统中，作为调制解调过程的一部分。这样就无需使用带通滤波器组，只要经过基带处理就可以实现频分复用( f d m ) 。特别是超大规模集成电路的发展，通过数字信号处理芯片可以很方便地实现快速傅立叶变换( f f t ) ，使得o f d m 技术更趋于实用化。o f d m 技术具有如下特点：1 对处理器速度要求不高o f d m 技术需要将高速串行数据转换为低速并行数据，再调制到各子载波上进行传输，这使得每个子载波上数据符号的持续时间相对增加，降低了系统对于数字信号处理器处理速度的要求。2频潜利用率高传统的频分复用( f d m ) 技术是将频带分为若干个互不相交的子频带来传输并行数据流，在接收端用一组滤波器来分离各个子信道。这种方法虽然简单直接，但频带利用率低，因为子信道之间要留有足够的保护间隔，而且滤波器组的实现也比较困难。而o f d m 系统由于各个子载波之间存在正交性，允许子信道的频谱相互重叠，可以最大限度的利用频谱资源。3硬件实现乃。便各子信道中的这种正交调制和解调可以采用i f f t 和f f t 方法实现，随着大规模集成电路技术与d s p 技术的发展，实现的成本会越来越低，难度越来越小。4 速率调整简单o f d m 系统可以通过为每个子信道加载不同的比特数，调整系统总体传输速率。还可通过为不同的业务分配不同数目的子信道来适应不同业务对速率的需求。例如，在a d s l 宽带接入系统中，下行链路的( 电信局到用户) 数据量远远大于上行链路( 用户到电信局) ，所以为下行链路分配了更多数目的子载波。5 抗干扰能力强o f d m 系统通过动态比特分配以及动态子信道分配的方法，充分利用信噪比较高的子信道，从而提高系统的抗干扰性能。第1 页1 1 ，2o f d m 技术的应用早在2 0 世纪6 0 年代，o f d m 技术就已经被应用到军事无线高频通信系统中，其中包括k i n e p l e x ，a n d e f t ，k n t h r y n 等。如在k n t h r y n 系统中，可变速率的数据调制解调器最多可以使用3 4 个并行低速调相子信道，每个子信道之间的间隔为8 2 h z 。直到8 0 年代中期，随着欧洲在数字音频广播( d a b ) 方案中采用了o f d m ，该技术才开始受到关注并得到了广泛应用。1 9 9 5 年，欧洲电信标准协会( e t s i ) 指定了d a b 标准，这是第一个使用o f d m 的标准。接着在1 9 9 7 年，基于o f d m 的数字视频广播( d v b ) 标准也开始投入使用。在a d s l 应用中，o f d m 被典型地当作离散多音频调制( d m t ) ，成功地用于有线环境中，可以在1 m h z 的带宽内提供高达8 m b p s 的数据传输速率。1 9 9 8 年7 月，i e e e 8 0 2 1 1 标准组决定选择o f d m 作为无线局域网的物理层接入方案，目标是提供6 - 5 4 m b p s 的数据速率，这是o f d m 第一次被用于分组业务通信领域。目前，随着互联网广泛使用，移动通信用户也迫切希望能接入互联网，获得高速数据服务。这种需求推动了4 g 移动通信系统的研制，4 g 移动通信系统须要达到2 m b s 到2 0 m b s 的数据传输速率。现在普遍倾向于采用o f d m 技术、智能天线技术、发射分集技术和联合检测技术相结合的方式来实现高速数据传输。这将为o f d m 技术提供更加广阔的应用前景。1 2a d s l 宽带接入及其测试技术1 2 1a d s l 。宽带接入技术所谓宽带，是泛指传输信道所支持的速率达到或超过一次群接入速率的种业务或系统【3 ”。狭义地理解，宽带接入是指速率超过6 4 k b p s ，能够满足用户业务带宽需求的网络按入方式。目前我国主要有三种宽带接入方式，分别是c a b l em o d e m 、以太网和a d s l 。其中a d s l 宽带接入方式应用最为普及，发展最为迅速。我国在过去一年中新增7 0 0 万a d s l 用户，总数达到1 3 0 0 万，超过 r 日本和美国。现有的广泛延伸到用户的电话双绞线网络是实行a d s l 方案的有利基础设旋。据统计，2 0 0 4 年8 月中国的固定电话用户已经突破3 亿，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接入方案不用对线路进行改造，可以降低额外的开销。a d s l 是一种基于o f d m 调制解调的宽带接入方式，它利用电话双绞线进行数据传输，其上、f 行速率具有非对称特性，能提供的传输速率以及传输距离特别适合宽带上网的需要。a d s l 系统理论上可在5 k m 范围内，通过一对铜缆双绞线实现下行速率8 m b p s 、上行速率1 m b p s 的数据传送，并能同时提供话音和数据业务。如图ll 所示，一条电话线上具有3 个相互独立的信息通道：0 4 k h z 作为普通老式电话服务通道；2 5 1 3 8 k h z第2 页国防科学技术大学研究生院学位论文作为上行数据通道；1 3 8 1 1 0 0 k h z 作为下行数据通道。这样就实现了高速上网与打电话互不干扰。其中对数据信道又进一步细分为2 5 6 个子信道，每个子信道带宽为4 3 1 5 k h z ，分别进行正交幅度调制( q a m ) 。a d s l 系统可根据线路的情况，自适应地调整对每个子信道所调制的比特数，以便更充分地利用线路资源。一般来说，子信道的信噪比越大，在该信道上调制的比特数越多。如果某个子信道的信噪比很差，则被放弃使用。04 k2 5 k1 3 8 k1 1 0 0 k图1 1a d s l 线路的频带划分l2 2a d s l 线路测试简介频率( h z )a d s l 技术同时满足了低成本和高带宽的要求，因而很快得到广泛应用。但在开通a d s l 服务时，必然会遇到如何选择线路、某条线路能否开通a d s l 业务、可以开通多高速率以及哪些因素会影响传输质量等问题。在a d s l 线路的日常维护过程中，也会遇到传输质量下降或出现故障如何查找、判断和排除等问题。这些都要求对a d s l 线路进行测试，通常分为如下两个阶段的测试：1 1 预检测预检测是在收到用户开户申请后，由开户人到用户家中对用户线路进行测试，并判断能否开通a d s l 和开通速率是多少。根据测试结果，为用户提供差异化服务，并保证服务质量。预检测需要进行的测试有：最大比特速率参数测试、d m t 子信道载波图测试、i s pp i n g 测试、i s p 仿真登陆测试、局域网p i n g 测试、i n t e r n e t 速率检测、功率谱密度( p s d 测试) 、线路衰减测试、线路宽带噪声和脉冲噪声测试、线路纵向平衡行测试、线路串扰测试及线路环阻和电压测试等。大多数a d s l 运营商使用手持式测试仪进行上述测试。目前，市面上的手持式a d s l 测试仪产品主要有加拿大c o n s u l t r o n i c 公司的c a b l e s h a r k 型和c o l t - 2 5 0 型，以及意大利a e t h r a 公司的d 2 0 6 l 型；国内的同类产品主要有中创信测的a d s l 测试仪，恒光科技发展公司的a d s lt e s t 一2 5 6 型和大连九九集团网络技术有限公司的9 9 0 d s l 环路测试仪等。2 1 故障测试故障测试是在a d s l 宽带接入用户不能上网或上网速度明显降低时进行的测试。第3 页通过测试来判断是局端故障、用户故障还是线路故障，并提出相应的解决方案。目前使用的故障测试设备主要有美国波达公司的测试平台，国内有上海迪爱斯通信设备有限公司的l s l t - 2 型测试平台等。这些测试平台放置于电信局的测量室内，可进行局端测试、线路测试和用户端测试。上述的故障测试平台只能在用户离线的情况下进行测试，由此带来丫两个问题：一是在测试期问，用户无法正常使用网络，这会影响到某些特殊用户的工作；二是测试结果不能真实反映用户上网时的线路特性，缺乏对线路整体性能的测试，为故障查找带来了不便。如果能研制一种在线式a d s l 测试设备，在不影响用户使用的情况下对线路进行全面测试，就可以解决上述两个问题。1 3 1 课题背景1 3 课题背景和主要任务本课题来自外协项目“搭接式a d s l 信号解调分析系统”。如图12 所示，该系统搭接在用户a d s lm o d e m 与电信局d s l a m ( 数字用户线接入复用器) 之间的电话双绞线上，对线路上传输的上、下行a d s l 信号进行采集，经过解调、译码和各层网络协议分析，最终恢复出用户可见的应用层数据信息。该系统可在用户不断线的情况下，对a d s l线路的物理特性进行在线测试，同时可对网络的各层数据进行实时采集，经过系统中上位机的分析处理，为线路的故障诊断提供丰富可靠的参考数据。电信局d s l a m图1 2 搭接式a 1 ) s l 信号解调分析系统此前我们已经成功研制出“断线式a d s l 信号采集处理系统”，如图13 所示，其主要功能与上述“搭接式”设备基本相同。但由于“断线式”设备是串接在用户a d s l m o d e m与电信局d s l a m 之间的电话双绞线上的，所以存在一些明显的不足：1 ) 设备的安装使用不便：首先要切断用户与电信局之间的线路，在断点处各加一个r j l1 水晶头，然后将用户一侧的线路接入设备仿局端，电信局一侧的线路接入设备仿用户端，线路接好后系统才能开机工作。第4 页2 ) 对用户上网和通话影响较大：不仅在设备安装过程中，用户不能正常上网和通话，而且在设备开机运行期间，如果出现设备故障，将直接导致用户掉线。3 ) 无法对线路整体性能进行测试：“断线式”设备切断了用户与电信局之间的a d s l链路，通过设备的仿局端与用户的m o d e m 建立连接，设备的仿用户端与电信局的d s l a m 建立连接。所以只能分别进行局端测试和用户端测试，而无法测出线路的整体性能。图1 3 断线式a d s l 信号采集处理系统采用“搭接式a d s l 信号解调分析系统”可以弥补上述的不足，它通过高阻接入并联在用户线路上，无需切断物理线路，这就简化了设备的安装过程。而且在开关机或设备故障时，不会造成用户m o d e m 掉线，从而不影响用户的正常使用。但“搭接式”设备在具体实现过程中存在以下技术难点：1 ) 在a d s l 线路开始传送用户数据之前，必须对线路进行初始化，以便完成收发器训练、信道特性的分析和调制解调参数的设定。因为a d s l 的初始化过程需要局端和用户端进行应答对话，而搭线式设各只能接收信号、不能发送信号，所以专用的a d s l 解调芯片无法在我们的系统中使用。这大大增加了设计实现的难度和工作量。2 ) 由于设备处于单向接收的地位，无论是采集、解调、成帧、协议分析还是组报，任何一个环节发生差错，数据的完整性都很难保证。所以如何降低系统的误码率，提高数据恢复的正确性和完整性是我们面临的主要难题。1 3 2 主要任务搭接式a d s l 信号解调分析系统，根据o s i ( 开放系统互联) 定义的参考模型呵分为5 个网络层次。如图l4 所示，左边一列为o s i 的定义的7 层网络结构，右边一列是该系统的网络层次结构。系统的硬件实现可分为采集卡和上位机两部分，两部分通过1 0 m 1 0 0 m 以太网进行通信。采集卡完成a d s l 信号采集、d m t 符号解调、信道译码、a t m 成帧和以太网传输等工作：上位机完成a t m 信元处理、t c p i p 数据处理、应用层协议分析、数据组报和人机接口等工作。第5 页应用层表示层应用层会话层传输层7 f c p u d p 层网络层i p 层数据链路层a t m ( ；元处理层物理层a d s l 层u d p 包崾机冲包j 伊网“t m 信元、匿l i j 野面。a d s l ：采集卡图1 4a d s l 信号解调分析系统的网络层次课题研究的主要任务是a d s l 信号采集卡的设计与实现。由于采集卡涉及的理论算法众多，工程实现复杂，加之时间有限，不可能面面俱到。所以在给出采集卡总体设计方案的基础上，针对其中几个重要模块和关键技术进行了深入研究。具体的研究工作包括；1 ) o f d m 调制解调原理及其实现算法研究2 ) 采集卡的方案论证和总体结构设计3 ) 对采集卡进行模块划分，对各模块的接口以及具体功能进行定义4 ) 信道编译码算法研究( 包括v h e r b i 译码、r s 译码、c r c 校验) ，在f p g a 上用v h d l 语言设计实现相应的译码模块5 ) a d s l 系统的同步问题研究( 包括采样同步、帧同步和超帧同步)1 4 论文章节内容简介本文按照从理论基础到工程实践，从总体设计到局部设计的原则，安排章节内容如下：第二章是系统的理论基础部分，对o f d m 调制解调原理进行了理论推导，给出了a d s l 调制解调其的通用模型，并介绍了a d s l 数据帧结构。第三章足系统总体设计方案部分，对系统实现的功能和技术要求进行了说明，并进行了功能模块的划分。同时给出了系统硬件方案，并对系统关键的初始化问题进行了论述。第四章对a d s l 系统的3 种信道解码问题进行了深入研究。对v i t e r b i 译码、r s 译码和c r c 校验的基本原理加以阐述，提出适合f p g a 实现的译码算法，并进行了软件仿真。第五章深入探讨了a d s l 系统的3 种同步技术。给出了适合于本系统的采样同步、帧同步和超帧同步的实现算法。第六章为本文的总结与发展展望部分。第6 页第二章o f d m 原理及其在a d s l 中的应用2 10 f d m 系统基本原理在绪论中我们已经对o f d m 的基本概念和特点进行了简要介绍。本节将从理论上对o f d m 的正交性加以论证，并推导出o f d m 的工程实现方法。2 1 - l 正交性的理论推导一个o f d m 符号包括多个经过调制的子载波，每个子载波都可以单独进行p s k 或q a m 调制。通常采用复等效基带信号来描述o f d m 的输出符号，见式21 。其中v 表示子信道的个数，r 表示o f d m 符号的周期，谚( i - o ，l ，n - 1 ) 是分配给各个子信道的数据符号，o f d m 符号的起始时刻为t = t s 。t 一三 e x ” j 2 万吾( f 一) s ( t ) = 0t t ；+ r( 21 )其中g ( ) 为矩形窗函数，式中的实部和虚部分别对应于o f d m 符号的同相和正交分量，在实际系统中可以分别与相应子载波的余弦分量和正弦分量相乘，构成最终的子信道信号和合成的o f d m 符号。图2 1 中给出了o f d m 系统基本模型的框图，可见待发送的数据符号4 被调制到不同的频率点上( ，q ，。、) ，这里有甜。= 2 或= 2 = r ，各载波间的频率间隔为够= 1 ，或写成= 曲，一础l _ 1 = 2 # r 。7 啦叫孓蕾蔷t t卑k 毒b磊并。+兰叫蕊卜转：【j换) 【e - j w ( n j lj 尸占薪图2 1o f d m 系统基本模型框图第7 页，、gd=)f“专h c 俐唧c - j c o t ) d t = ：i ：口z ，c i - = 考r + r e x - - ，j 2 石手。一t ) 善吐e x 一( 2 万手。一，s ) 击。：。，= ；篓z n 冲陋子i - i , ，归i = 0 叫图2 2 包含4 个子载波的o f d m 符号实例第8 页2 1 _ 2o f d m 与传统频分复用的区别传统频分复用( f d m ) 的频谱如图23 所示，它将整个频带划分成j v 个不重叠的子带，在接收端用滤波器组进行分离。它的优点是原理简单、实现方式直接。缺点是频谱利用率低( 因为子信道之间要留有保护频带) ，而且接收端滤波器组的工程实现也比较困难。正交频分复用( o f d m ) 符号周期为n 其频谱可以看作是j v 个周期为，的矩形脉冲频谱( 如图2 4 所示) 的叠加( 即个s i n c 函数的叠加) 。因为s i n c 函数的主瓣宽度为2 t , 所以当每个子载波的频率间隔为，仃时，在每个子载波频率峰值点处，恰好对应所有其他子载波的频谱的零值点。由于在对o f d m 符号进行解调的过程中，需要计算这些点上所对应的每个子载波频率的最大值，这样就可以从多个相互重叠的子信道符号频谱中提取出每个子信道符号，而不会造成相互干扰。授率图2 3f d m 系统的频谱图2 1 3 快速傅立叶变换在o f d m 中的应用频率( 子载j i 费间隔)图2 4o f d m 系统的频谱图在o f d m 理论被提出的最早的几年里，该项技术并没有得到广泛的工程应用，究其原因就是按照如图2 1 所示o f d m 模型的计算方式，在工程上很难实现。直到1 9 7 1 年，w e i n s t e i n 和e b e r t 把离散傅立叶变换( d f t ) 应用到o f d m 系统中，从而可以利用数字信号处理的方法实现信号的调制解调，该项技术才得以工程实用化。在信号发送端，令式2l 中的，。= 0 ，并且忽略矩形窗函数，对信号s ( ，) 以吖的速率抽样，即令，= k r n 犯= o ，1 ，一1 ) ，向量d = d o ，d l ，- ，d n ， ，可得旷s ( k r ) _ 萎n1 ze x 一- 等) - i d f 咐) ( - 1 )( 2 s )等效于对孑进行离散傅立叶反变换( i d f t ) 。其中每个i d f t 输出的数据符号s 。都是由所有子载波信号经过叠加生成的，即对连续的多个经过调制的子载波的叠加信号进行抽样得第9 页到的。同样在接收端，为了恢复出原始的数据符号d 。，可以对s + 进行d f t 变换，即得到吐= 酗nie 冲( 一，等) = 册，( s k ) ( 。姚)( 2e )根据上述分析，o f d m 系统的调制解调可以分别由i d f t d f t 代替。在实际工程应用中，可以采用更加方便快捷的快速傅立叶变换( f f t ，i f f t ) 。对于点i d f t 运算需要进行酽次复数乘法，而对于常用的基2 的i f f t 算法来说，其复数乘法的次数仅为( n 2 ) l o g ：( n ) 。对于子载波数量非常大的o f d m 系统来说，可以进一步采用基4 的i f f t算法。在基4 的1 f f t 运算中，只存在与, - 1 ，一， 的相乘运算，因此不需要采用完整的乘法器来实现。只需要通过简单地加、减以及交换实部和虚部的运算( 当与工相乘时)来实现这种乘法。因此，点的基4 的1 f f t 需要执- i t ( 3 8 ) n ( 1 0 9 ：n 一2 ) 次复数乘法或相位旋转，以及n l o g 。n 次复数加法。2 2a d s l 调制解调系统结构2 2 1o f d m 在a d s l 系统中的应用a d s l 调制解调的核心是由o f d m 派生出来的d m t ( 离散多音频) 技术。d m t 符号的时频结构如图25 所示，其中他为子载波个数，f s - l t s 为载波之间频率间隔，i 为d m t符号周期，r 为加入循环前缀后数据帧的周期。i t u tg 9 9 2 1 标准规定了a d s l 系统的参数为m t = 2 5 6 ，肌n = 6 4 ，f ，- - 4 3 1 2 5 k h z ，z = 2 5 0 p s 。1_ _ 瓦n世赠赫m1n 6t e = n ；t ；图2 5d m t 符号的时频结构心u之l l第1 0 页为保证d m t 调制各子载波之问的正交性，a d s l 系统调制解调的具体参数是按照下述过程计算求得的( 仅以下行方向为例) ：2 5 6 个子载波对应的d m t 符号是由5 1 2 点的i f f t 运算得到的，进行1 f f t 运算的速率为4 0 0 0 次秒( 每2 5 k s 作计算次) 。为了抵抗码间干扰( i c i ) 的影响，需要对数据帧加入循环前缀，如图2 6 所示。不考虑每个超帧加入一个同步帧的情况下，循环前缀为4 0 点，即将i f f t 运算得到的4 7 3 5 1 2 点拷贝下来，加到数据帧的头部先行发送。故发送端要在2 5 0 t s 时问内发送5 5 2 个点，每个点之问的时间间隔为1 4 k 5 5 2 秒，所以对应于5 1 2 点的时间为5 1 k 5 5 2 = 3 1 2 5 足秒，即对应的o f d m 符号周期为3 1 2 5 k 秒，故频域s i n c 函数的主瓣宽度为43 1 2 5 k h z 。为保证子载波之间的正交性，频率间隔为43 1 2 5 k h z 。整个a d s l 系统占用的带宽资源为2 5 6 4 3 1 2 5 k h z = 1 1 0 4 m h z 。“k 一4 0 点二卜n ：! 一一j。兮 ij，o f d m 符号周期2 5 0 u s图2 6d m t 符号加循环前缀d m t 调制是通过i f f t 实现的，为了使经过i f f t 得到的时域波形序列为实数序列，要求输入的频谱序列必须是复共轭的，具体实现方法为：将用户信息比特通过载波排序模块分配到2 5 6 个子载波上；再经过星座编码器映射成2 5 6 个矢量( 每个矢量可以用复数表示成x + y ) ，放在i f f t 运算模块的2 5 7 5 1 2 点上；相应的2 5 6 个复共轭矢量r 一放在1 f f t 运算模块的1 2 5 6 点上；经过i f f t 运算可以得到5 1 2 个实数点。2 2 2a t u c 发送器参考模型下面以g 9 9 2l 标准的a d s l 收发器为例，介绍a t u c 内部功能模块和工作流程。为了便于分析，首先介绍a d s l 系统中的几个重要概念。1 承载信道承载信道是a d s l 的逻辑通道，是提供给上层设备的不同速率和方向的数据流。a d s l系统最多可同时传送7 个承载信道，其中最多有4 个独立的下行单工承载信道( a s o a s 3 )第1 l 页和最多3 个双工承载信道( l s 0 l s 2 ) 。需要特别说明的是，它们只是逻辑意义上的信道，所有承载信道中的数据是同时在a d s l 链路上传输的，并不使用专门的频段。2 数据帧结构如图2 7 所示，在各模块之间传输的a d s l 数据帧，根据数据结构和意义的不同可分为3 种类型：1 ) 复用数据帧：参考位置在a 点2 ) f e c 输出数据帧：参考位置在b 点3 ) 星座编码输入数据帧：参考位置在c 点在接收端同样也对应存在3 种帧结构：复用数据帧、f e c 解码输入数据帧和星座解码输出数据帧。具体的数据帧结构将在23 节详细介绍。3 快速信道和交织信道数据通过复用同步模块后分为两路，分别构成快速信道和交织信道。通过交织信道的数据可以有很强的抗干扰能力，但是时间延迟较大，因此适合于对误码率要求较高，而对实时性要求不高的应用( 如w e b 数据) 。而通过快速信道的数据虽然抗干扰性能稍差，但可以保证更好的实时性，因此适合于实时性要求高，而对误码率要求不高的应用( 如音频和视频) 。因此不同业务的数据可以根据不同的要求，分配到这两个信道上。下行数据发送的具体流程如图2 7 所示，下面分别介绍主要的功能模块：a s 0a s la s 2a s 3l s ol s ll s 2；目扰码f e 器c 和l -星座_l一_载编码与i f f t并串裂序一增益转换控制交织信道 丑圉圈一一调整n 舵ab循环前缀j 羞剖双绒线d a c 和模自信号处均图2 7a t u c 发送器参考模型1 ) 数据接入：来自骨干网络不同业务的数据，通过d s l a m 传送给a t u c 发送器，根据应用和业务量的不同，这些数据被分配到7 个下行承载信道中( a s 0 a s 3 ，l s 0 l s 2 ) 。2 ) 快慢信道数据分配：如果a d s l 系统配置了快速信道和交织信道同时工作，则复用同步控制模块会输出两路数据流，分别通过陕速信道和交织信道传输。数据分配的原则是在不同业务的抗干扰性和实时性之间折中。3 ) 扰码、前向纠错：快慢信道的两路数据流都要经过扰码器和f e c 。加扰可以使数第1 2 页据中的0 、1 分布概率均匀，有利于接收端的时钟同步；f e c 对数据进行纠错编码，可以纠正这些随机差错。此外，交织信号的数据还要经过交织器。根据应用的要求，使用一定的交织深度来改变数据的发送顺序，可将一段较长时间的突发错误分散到多个f e c 帧中，使每个f e c 帧中的码元错误数小于可纠正的错误数。4 ) d m t 调制：2 路数据都输入到载波排序模块。根据子载波信噪比的不同，使用注水算法进行比特加载，形成星座编码输入数据帧。该帧中包含快速信道和交织信道2 路的数据。数据帧输入到星座编码模块后，对每个子载波的比特进行星座编码，将原来的多比特变为具有一定相位和一定幅度的矢量信号。之后，在频谱上顺序排列的矢量信号序列经过| f f t 变换就可以得到对应于这个频谱的时域波形序列，这些序列就是实际发送信号的采样值。最后，将时域波形序列进行串并转换，逐个发给d a c ，形成模拟的时域波形，在经过滤波、线路驱动等处理，送到双绞线上传输。2 2 3a t u r 接收器参考模型a s 0a s la s 2a s 3l s 0l s ll s 2下行数据的接收流程如图2 8 所示图2 8a t u r 接收器参考模型1 ) 模拟信号到达a t u r 后，先经过信号分离器分离出a d s l 信号和话音信号。a d s l信号经过简单的带通滤波、回波抵消、放大和自动增益控制后，送到a d c 进行采样，得到时域波形的时间序列。2 ) 将这个序列进行f f t 处理，得到信号离散的频谱信息，然后对每路子载波的频谱值做星座解码，恢复出比特序列。将所有子载波的比特序列的数据组合起来，可形成星座解码输出的数据帧，它对于发射端的星座编码的输入数据帧。3 ) 在星座解码输出数据帧中，数据根据各自的标志和成帧规定，分解为快速信道和交织信道数据。这两路数据再分别经过反交织、f e c 解码、解扰和c r c 校验，第1 3 页得到复用帧结构。最后，根据复用帧结构的同步信号和应用要求，将复用帧的数据分配到各个接收信道上，传递给用户网络。上行信号的发送和接收过程与上述下行信号的过程完全一致，只是某些具体的调制解调参数有所不同( 如 f f t 点数为6 4 点) ，此处不再赘述。2 3a d s l 系统的帧结构a d s l 系统中，待发送的数据在进行调制之前，需要先进行组织并加入开销数据后形成帧和复帧。本节按照( 3 9 9 2l 标准的要求，详细介绍了采用d m t 技术的a d s l 系统中a t u c 和a t u r 的复帧和帧结构。2 3 1 复帧结构为了提高数据帧的利用率，a d s l 系统以复帧作为数据处理的最大单元。如图29 所示，每个复帧包含6 8 个数据帧，标号为0 6 7 ，其后跟随一个同步帧。同步帧由调制器插入，用于建立复帧边界。复帧巾的每个a d s l 数据帧经过编码和调制，形成一个多载波的d m t 符号。图2 9 中厨是快速信道f e c 编码的信息字节数，心圹是快速信道f e c 编码的冗余字节数，m 是快速信道f e c 码字的字节数，m 。是交织信道一个f e c 输出帧的长度( 等于f e c 码字长度除以复用数据帧的个数j ) 。在复帧形成时，加入的数据有3 种：复帧的同步帧、6 8 个数据帧的c r c 校验码、2 4个只是比特。除同步帧是单独添加了1 个码元外，其他2 种数据都是插入到原来的数据帧中第一个字节的位置，即f a s t 和s y n c h 字节。由于交织数据缓冲的复用数据帧被交织器打乱了原有的顺序，所以在图中看不出s y n c h 的位置。复帧( 1 7 m s厂rt1-厂i 帧0帧l帧2 帧6 7同步码|l 。j 。一。j。一墼堡堕! ! ! ! 塑兰! ! ! 堕! 二二匦墅二二二 二二塑墅墅二二图2 9 a d s l 复帧结构n 。字节第1 4 页一卜1 r2 3 2 快速数据缓存器的数据结构根据图2 1 0 ，每个快速缓存器数据帧应至少含有一个f a s t 字节( 承载c r c 校验字节、指示比特i b 、e o c 嵌入式控制信道和同步控制信息) ，其后分别是单工信道( a s 。) 数据和双工信道( l s 。) 数据，各信道分配的字节数在初始化过程中确定。若任一b f ( a s 。) 不为0 ，则在最后加上一个a e x 和一个l e x 字节；而若任一b f ( l s 。) 不为0 ，则在最后加上一个l e x 字节。其中a e x 和l e x 都是a d s l 插入字节，用于传送单工信道和双工信道的同步开销。f a s ta s o a s ia s 2a s 3l s ol s ll s 2a e xl e xf e e 冗余字节|r 斗卜 + ；，字节8 擎擎8 瓣1 ) 8 瓣2 ) 8 擎铲8 单守8 攀詈8 掣铲器器聿节。图2 1 0 快速数据缓存器帧结构2 3 3 交织数据缓存器的数据结构交织缓存器的帧结构如图2 1 1 所示。图中给出了经过交织之前的帧结构：可见，复用数据帧有一个s y n c h 字节( 承载c r c 校验字节、同步控制和a o c 开销控制信道) ，其后是分配给7 个子信道的字节b i ( a s ；) 和b i ( l s x ) ，最后还可能有a e x 和l e x 字节。交织数据缓存的f e c 处理方式不同于快速缓存。在快速缓存中，f e c 是对每个复用数据帧单独处理；而交织缓存中，f e c 是对s 个复用数据帧一起处理，并将f e c 冗余字节放在s 个复用数据帧之后，然后将总长为s n ，+ 月。字节的数据重新划分为s 帧，每帧长度为n 。= ( s n 。，+ r 。) s 。这个长为m ，的数据帧就是交织缓存的f e c 输出帧a坠翌，f a s ta s oa s la s 2a s 3 fs 0l s tl s 2a e xl e x ；二二；二二；二= ；i 二二；f 二= ；+ 二二若f = 二高f 二二茹f 二二茹f 二二；1 字节b 】( 字a 节s 0 b 【( 字a s 节1 b l ( 字a s 节2 b i ( 手a s 节3 b i ( 手l s 币o b i 擘爷b i ( 手l s 下2 字o 节1字o 节1! ! ! ! i，坠兰! i交织前区堕哑工二二二一巨型堕三口! 巫口交织后e 堕丑：二二二二二工堕堕互口瓦季f 一+ 瓦再广+图2 1 1 交织数据缓存器帧结构第1 5 页2 4 本章小结本章从理论上推导了o f d m 的正交性，通过与传统频分复用系统的比较，体现出o f d m 系统频带利用率高的优势。从理论上证明了o f d m 通过快速傅立叶变换实现的可行性，为工程实现提供了依据。介绍了o f d m 与a d s l 系统的关系，给出了a d s l 系统收发器的参考模型，该模型是我们提出a d s l 采集卡设计方案的基本依据。为了以下章节说明的方便，本章最后还对a d s l 的帧结构进行了简要介绍。第1 6 页第三章a d s l 信号采集卡方案设计本章根据项目的具体技术要求，提出a d s l 信号采集卡的总体设计，按照功能对系统进行了模块划分，并给出了硬件实现方案。最后对a d s l 系统的初始化参数采集过程进行了详细分析。为了简化表述，本章中的“系统”特指“a d s l 信号采集卡”。3 1 系统的技术要求a d s l 信号采集卡搭接在用户a d s lm o d e m 与电信局d s l a m ( d i g i t a ls u b s c r i b e rl i n e rm u k i p l e x e r , 数字用户线接入服务器) 之间。要求在不影响用户通信质量的情况下，可靠地接入二线制a d s l 信号。完成对a d s l 线路上下行数据的采集。对采集到的原始d m t ( 离散多音频1 信号进行