（通信与信息系统专业论文）dsl技术在宽带多媒体网络的应用研究.pdf

武汉理_ 丁大学硕士学位论文 摘要 f 随着通信技术的不但发展，骨干网的传输速度已经得n t 很大提高：相比 之r ，接入网的传输速率却始终是个瓶颈。数字用户线( d s l ) 技术，就是解 决这“最后一公里”接入瓶颈的主要技术之一。宽带接入技术让用户充分利用 骨干网的承载能力，最终实现用户到网络的高速接入。广d 7 本文首先对d s l 系统和多媒体数据压缩技术的基本原理、s d s l 的关键 技术、传输协议以及基于双绞线的数据传输系统的结构进行了简要的论述，并 详细分析了点到点的数据链路协议( p p p 协议) 以及实时传输协议，其为音频、 视频等实时数据提供端到端的传送服务。可以向接收端传送恢复实时信号必需 的定时和顺序信息，并向收发双方和网络运营者提供q o s 监测手段。在此基础 上设计了个用于传输数据和语音的多媒体的s d s lm o d e m 系统，该系统是 m i x l i n k 系列的一部分，整个系统是一个完善的接入网系统，能够实现多种方 式的铜线接入。 本文给出了s d s lm o d e m 的硬件图和相关的软件实现方法，采用实时传 送协议( r t p ) 解决话音信号的封装传输问题。 用此m o d e m 和m i x l i n k 的l i a a e c a r d 相结合可以设计出传输速率高达2 3 m b i 讹的接入系统；能用r s 2 3 2 、v 2 4 接口和u s b 接口对计算机的数据高速传送：其具有四路电话线的自选功能；其 传输的数据格式是h d l c 模式，能对数据流的传送进行优化，使之满足用户视 频点播、视频会话和文件传输要求。，丁一、 关键字：s d s l接入网h d l cp p p 茎翌堡三盔兰堡主兰垡堕壅 a b s t r a c t a st h ec o m m u n i c a t i o n a lt e c h n o l o g yd e v e l o p m e n t , t h et r a n s m i ta b i l i t yo f m a i nm e s h w o r kh a sb e e ni m p r o v e dv e r ym u c h ；c o m p a r e dw i t ht h a t , t h et r a n s m i t t i n g s p e e d o f t h ea c c e s sn e th a sb e e nab o t t l e n e c ka l la l o n g t h ed s l i so n eo f t h em o s t l y t e c h n o l o g y , w h i c hc a n r e s o l v et h ep r o b l e m ( w ec a l li tt h el a s tk i l o m e t e r1 t h e w i d e b a n da c c e s s i n gt e c h n o l o g yc a ba l l o wt h eu s e r sm a k eb e s tu s eo ft h em a i n m e s h w o r k e a r r i n gc a p a c i t y , a n du l t i m a t e l yp r o v i d e t h eh i g hs p e e da c c e s st on e t w o r k f o ru s e r s a tt h eb e g i n n i n g t h i sp a p e rh a ss o m eb r i e fd i s s e r t a t i o no nt h eb a s i c p r i n c i p l eo ft h ed s l a n dt h em u l t i m e d i ad a t ac o m p r e s s i o n ，t h ek e yt e c h n i q u eo f s d s l ，t h et r a n s p o r tp r o t o c o l s ，a n dt h ed a t at r a n s f e rs y s t e ms t r u c t u r eb a s e do nt h e t w i s t e d - p a i r t h e ni tg i v e sa na n a l y s i so f t h e p o i n t - t o - p o i n td a t al i n kp r o t o c o l ( p p p ) a n dt h er e a l - t i m et r a n s m i s s i o np r o t o c o li nd e t a i l ，w h i c hp r o v i d et h es i d e t o s i d e t r a n s m i s s i o ns e r v i c ef o ra u d i of r e q u e n c ya n dv i d e of r e q u e n c yd a t a a n ds oo n b a s e d0 1 1t h et h e s e , w ed e v e l o p e dam u l t i m e d i as d s lm o d e ms y s t e mu s e dt o t r a n s f e rd a t aa n dp h o n e t i c t l l es y s t e mb e l o n g st ot h em i x l i n ks e r i e s w h i c hi sa c o n s u m m a t ea c c e s s - n e t w o r ks y s t e mf o ri t ss u p p o r tt ot h em u l t i p l ea c c e s sb yc o p p e r w i r e a l s o , t h ep a p e ro f f e r s t h eh a r d w a r ei l l u s t r a t i o no fs d s lm o d e m ，t h e i m p l e m e n t a lm e t h o do fs o m er e l e v a n ts o f t w a r e ，a n dt h ev o i c es i g n a le n c a p s u l a t i o n t r a n s m i s s i o n i s s u e a d o p t i n g t h er e a l - t i m et r a n s m i s s i o n p r o t o c 0 1 t h e a c c e s s s y s t e m i nw h i c h t h et r a n s f e rr a t ec a nr e a c h2 3 i v l b i t s ，w i l lb ew o r k e do u t b yu s i n g t h em o d e ml i n kw i t ht h em i x l i n kl i n ec a r d m o r e o v e ri th a st h e f o u r - t e l e p h o n e - l i n e so p t i o n a l f u n c t i o n b yu t i l i z i n gr s - 2 3 2 、v 2 4i n t e r f a c eu s b i n t e r f a c e i t st r a n s f e r sd a t af o r m a ti sh d l cm o d e ，w h i c hc a l l o p t i m ! z et h e d a t a s t r e a mt r a n s m i s s i o n i nt h i sw a yi tw i l lb es a t i s f i e do fr e q u i r e m e n t so fu s e r s v i d e o f r e q u e n c y o r d e rp r o g r a m m e r , v i d e of r e q u e n c yc o n v e r s a t i o na n df i l et r a n s m i s s i o n k e y w o r d ：s d s l接入网h d l c p p p 武汉理工大学硕士学位论文 第一章绪论 当今社会已进入信息时代，人们除了对传统的电话、传真、数据通信的需 求外，又对诸如计算机通信、高速率数据通信、会议电视、电子信箱以及多媒 体通信提出了更高的要求。特别是美国推出了国家信息基础设施( n a t i o n a l i n f o r m a t i o ni n f r a s t r u c t u r e ) 计划后，通信网将朝着数字化、宽带化、智能化、个 人化的方向发展。而现代化的通信网主要有传输网、交换网、接入网三大部分 组成，我国的传输网中的一级、二级干线及大中城市的实话中继线已基本实现 了数字化、光纤化；交换网也基本实现了程控化、数字化；而接入网即人们通 常所说的用户网则发展较缓慢。随着传输网、交换网的高速发展，必然促使接 入网的快速发展。然而，由于接入网是整个通信网络中建设技术复杂、实施难 度大、投资费用高、影响范围大、也是关键的一部分，因此如何解决好这“最 后一哩”成了实现通信现代化的关键技术。从技术发展看来，首先现有的铜缆 接入网必须改造，以x d s l 数字用户线系列技术为代表的铜缆接入技术是一种 重要改造手段。 1 1 d s l 的来由 所谓d s l ：是英文“数字用户线”( d i g i t a l s u b s c r i b e rl i n e ) ，它是在普通的 双绞电话线上实现高速数据传输的技术，是美国贝尔通信研究所于1 9 8 9 年为推 动视频点播( v o d ) 业务开发出的用户线高速传输技术，基于双绞铜线的x d s l 技术因其以低成本实现用户线高速化而重新崛起，打破了高速通信由光纤独揽 的局面。1 9 9 6 年起x d s l 技术在欧美得到迅速推广主要缘于以下两个因素： ( 1 ) 电信企业的主干网已采用2 5 g b i t s 和1 0 g b i t s 的超高速光纤，但连接 用户和交换局的用户线绝大多数仍是电话用的双绞线，以现有的调制技术不能 满足用户高速接入的需求。导入x d s l 技术后，即可在双绞线上传送高达数 m b i t s 的数字信号，如配置了分离音频频带和高频带的分离器，则可同时提供 电话和高速数据业务。 ( 2 ) 美国1 9 9 6 年通过的新的通信法案“t e l e c o m m u n i c a t i o n sa c to f1 9 9 6 ” 规定，地方电话公司的通信设备可租借给其他通信企业使用。i s p 业主租用用 户电话线，在其两端设置x d s lm o d e m 即可向用户提供高速数据业务。 1 9 9 9 年6 月，i t u 正式通过无分路器a d s l ( g 1 i t e ) 技术的国际标准g 9 9 2 。 为业务提供者和设备供应商开发产品、推广业务扫清了障碍。g 9 9 2 建议是单 一的、开放的标准，与全速率a d s l 兼容。并可以平滑地升级为全速率a d s l ， 有利于快速大规模地开展业务。c o m p a q 等一些计算机厂商己开始在计算机中 内置g 1 i t em o d e m 。 、 ， 武汉理工大学硕士学位论文 随着i n t e m e t 数据市场的爆炸性增长，一些小型企业需要价格合理的高速 接入业务。许多运营公司发现h d s l 技术非常适合于提供最大速率为7 6 8 k b s 的单对业务，这是采用2 b i q 线路码的数字用户线路复用器，称为s d s l 系统。 一些厂商选择标准线路码，即2 b i q 码，但也有一些厂商选择其它非标准线路 码。由于缺乏行业一致认可的标准，人们对s d s l 的概念和性能有不同的理解， 给业务开展造成一定的障碍。s d s l 业务比较适合于企业用户。目前大多数企 业用户不使用多媒体或宽带应用，1 4 4 k b s 的s d s l 就可以满足他们的要求。但 企业用户引入远程教学和会议电视等应用以后，对带宽的需求将会增加。这时 只需要对s d s l 用户端设备进行简单的软件升级，就能提供较高速率的业务。 1 2 数字用户线的概况 1 2 1 本地环路的数字化d s l 技术 当交换数字化与干线数字化结合之后，就构成了数字化的p s t n 系统。显然 这时的数字化过程并未包括本地环路的数字化，即使在数字化的p s t n 系统中， 在用户接入段的本地环路上，传送的依然是模拟的话音信号。但是仅仅使干线 数字化并不能显著改善话音质量，因为模拟的本地环路会成为限制话音质量的 瓶颈而干线数字化只是使话音质量不再进一步变坏。因此，从改善话音质量 的角度分析，使本地环路数字化具有很大的意义。 另外，从数据传输的角度来看。为了在模拟的本地环路上进行数据传输， 首先要通过调制解调器( m o d e m ：m o d u l a t o r - d e m o d u l a t o r ) 和数模转换器( d a c ： d i g i t a l - a n a l o g ) 模拟本地环路上传输数据的m o d e m 就称为话带m o d e m ，但是 经过话带m o d e m 转换之后的模拟信息到了中心局之后，又要经过模数转换器 ( a d c ：a n a l o g d i g i t a l ) 重新转换为数字信号才能在干线上传输。这样两个 转换过程不但增加了噪声。而且由于p s t n 中基本传输速率6 4 k b p s 的限制使 得在p s t n 系统中话带m o d e m 的数据传输速率无法超过6 4 k b p s 这就是为什么当 前的话带m o d e m 速率到了5 6 k 之后就无法进一步提高的原因。因此，从数据传 输的角度来看，想在电话线上获得超过6 4 k b p s 的传输速率，也必须使本地环路 数据化。 数据用户线d s l 技术就是这样一种使本地环路数字化，以提高话音质量和 数据传输速率的方法。使得动画、音频甚至3 d ( 三唯) 图象的连续传输成为可 能。 1 2 2x d s l 技术的分类 d s l 是以铜质电话线为传输介质的传输技术组合，它包括h d s l 、s d s l 、 v d s l 、a d s l 和r a d s l 等，一般称之为x d s l 。它们主要的区别就是体现在 2 武汉理工大学硕士学位论文 信号传输速度和距离的不同以及上行速率和下行速率对称性的不同这两个方 面。 x d s l 技术按上行( 用户到交换局) 和下行( 交换局到用户) 的速率是否 相同可分为速率对称型和速率非对称型两种。 速率对称型的x d s l 有h d s l 、s d s l 等多种形式，h d s l 采用2 对双绞 铜线实现双向速率对称通信。s d s l 的功能与h d s l 相同，但仅用一对铜线即 可提供速率对称型通信。i d s l ( i s d nd s l ) 提供1 2 8 k b i t s 双向速率对称型通 信务。非对称型的x d s l 有a d s l 和v d s l 等数种。因其下行速率很高，适用 于下行数据量很大的i n t e m e t 业务。最近又出现了r a d s l ，它克服了a d s l 在 强噪声条件下中断通信的缺点，能自适应地降低速率保持通信连接。下表给出 了不同d s l 的性能汇总，各种d s l 的性能都超过了话带m o d e m 的5 6 k b p s 性 能指标，其中尤其以a d s l 和v d s l 的性能为最高。 x d s l 上行速率下行速率对称性 p o t s 并存标准 i d s l1 2 8 k b o s1 2 8 k b o s对称不行无 曲s l7 8 4 1 5 4 4 ，2 0 4 8 k b p s7 8 4 1 5 4 4 2 0 4 8 k t d s对称不行有 s d s l1 5 4 4 1 2 0 4 8 k b d s1 5 4 4 2 0 4 8 k b o s对称不行有 a d s ll o o 8 0 0 k t ，p s1 8 m k b p s非对称可以有 v d s l- - 2 6 m b d s- 5 2 m b d sf 非、对称可以无 图一各种d s l 性能表 1 2 3 x d s l 各自技术特性 1 商比特率数字用户线( h a s l ) h d s l 是一种对称的高速数字用户环路技术，上行和下行速率相等，通过 两对或三对双绞铜线提供全双工1 5 4 4 2 0 4 8 k b i t s ( t l e 1 ) 的数据信息能力。h d s l 技术最早由b e l l c o m 提出，近年来国内外已有众多厂家推出了h d s l 产品 并应用。h d s l 接八技术的标准化已取得突破性进展，1 9 9 8 年l o 月r r u t 第 1 5 研究组( s g l 5 ) 全体会议通过了关于h d s l 的新建议g 9 9 1 1 ，对本地金属线 路上的高速数字用户线系统作详细规范，采用2 8 1 q 或c a p 两种线路编码方式， 可以支持6 0 4 k b i t s 。1 1 6 8 k b i 眺和2 3 2 0 k b i 以三种线路传输速率，但不支持p o t s 电话、模拟数据和i s d n 。h d s l 的无中继传输距离视线径不等，约为4 7 k m 。 2 非对称数字用户线( a d s l ) a d s l 允许在一对双绞铜线上，在不影响现有p o t s 电话业务的情况下 武汉理工大学硕士学位论文 进行非对称性高速数据传输。a d s l 上行速率为2 2 4 - - 6 4 0 k i t s ，下行传输速度 1 5 4 4 9 2 m b i t s ；传输距离在2 7 - 5 5 k m a d s l 是在电话用户线上采用分离器 的办法将模拟语音通道与数字调制解调器分开，即使在a d s l 连接失败时也不 影响话音服务。 3 速率自适应数字用户线( r a d s l ) r a d s l 能够自动地、动态地根据所要求的线路质量调整自己的速率，为 远距离用户提供质量可靠的数据网络接入手段。r a d s l 是在a d s l 基础上发 展起来的新一代接入技术，其下行速率从3 8 4 k b w s 到9 2 m b i t s ，上行速率从 1 2 8 kb i t s 到7 6 8 k b i t s ，传输距离可达5 5 k m 左右。 4 对称数字用户线( s d s l ) 这是h d s l 的单线版本，它可以提供双向高速可变比特率连接，速率范围 从1 6 0 k b p s 到2 0 8 4 m b p s 。有时也称作中等比特率数字用户线。它利用单对双 绞线，支持多种速率对称的t i e 1 传输，用户可根据数据流量，选择最经济合 适的速率，最高可达e l 速率。在这个范围内，s d s l 将能够支持各种要求上行 通信的速度与下行通信的速度一致的应用，如电视会议和联合计算等。用于 s d s l 的标准目前还处于发展中，未能最后敲定。s d s l 发展趋势主要有两个： 一是开发在单线对上同时传送话音和数据的h d s l ，用于小型办公室家庭办公 室( s o h o ) ：二是开发具有更高传输比特率的单线对数字用户线技术。h d s l 与s d s l 支持对称的t l 甩l ( 1 5 4 4 m b p s , 2 0 4 8 m b p s ) 传输。其中h d s l 的有效 传输距离为3 - - - 4 公里，且需要两至四对铜质双绞电话线：s d s l 最大有效传输 距离为3 公里，只需一对铜线。比较而言，对称d s l 更适用于企业点对点连接 应用，如文件传输、视频会议等收发数据量大致相应的工作。 5 甚高比特率数字用户线( v d s l ) v d s l 是a d s l 的发展方向，是目前最先进的数字用户线技术。v d s l 通 常采用d m t 调制方式，在一对铜双绞线上实现双向数字传输，其下行速率可 达1 3 - 5 2m b i t s ，上行速率可达1 5 7 m b i t s ，传输距离大约为3 0 0 m - 1 3 k m 。t e l i a 公司的v d s l 实验产品能够在一个连接上同时提供8 个数字电视信道。v d s l 系统的标准化是i t u t s g l 5 下一阶段的主要研究目标。 4 武汉理工大学硕士学位论文 1 2 4x d s l 术语表 a d s la s y m m e t r i cd i 口i t a l 、q u b s c r i b e rl i n e d s ld i , t i t a ls u b s c r i b e rl i n e d s l a md i g i t a ls u b s c r i b e rl i n ea c c e s sm u l t i d l e x e r h d s lh i g h - b i t - r a t ed i g i t a ls u b s c r i b e rl i n e i d s l h i g h - b i t - r a t ed i g i t a ls u b s c r i b e rl i n e r a d s lr a t ea d a p t i v ed i g i t a ls u b s c r i b e rl i n e s d s l 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 v d s l v e i yh i g h - s p e e dd i g i t a ls u b s c r i b e rl i n e x d s l x - t y p eo f d i g i t a ls u b s c r i b e rl i n e 表一：d s l 家族术语表 1 3 1 课题来源 来源：台湾仲崎集团新竹研究院 1 3 2 课题研究的目的、意义 d s l 技术在传统的电话网络的用户线路上支持对称和非对称的传输模式， 解决了发生在网络服务供应商和最终用户间的最后一公里的传输瓶颈问题。由 于电话用户环路已经大量铺设，如何充分利用现有的铜缆资源，通过铜质双绞 线实现高速接入就成为业界的研究重点。d s l ( d i g i t a ls u b s c r i b e rl i n e ) 是种点 对点式的网络访问技术，它以位于本地回路0 0 e a lj o o p ) 的铜质双绞线为传输介 质，在网络服务提供商f n s p - n e t w o r k s e r v i c e p r o v i d e r ) 和用户之间传输数据、 语音、视频等信号。该技术最早是为视频点播( v o d ) 服务而设计，由于是利用 普通的铜质电话线进行高速数据传输，具有实现代价小、易于升级的特点，因 而受到了各方面重视。传统的m o d e m 将数据信号调制到音频电话所使用的频 率上( 0 3 4 0 0 h z ) ，因此调制后的信号可以在现有公用电话网中传输。而x d s l 技术为了达到更高的传输速率，抛弃了3 4 0 0 h z 的限制，使用更高频率进行传 输，因此它与现有公用电话网是不兼容的，一般在用户和服务商两端都要增加 相应设备，但传输线路仍然使用现有的电话线，省去了重新敷设线路的巨额费 用。 1 , 3 4 本文的研究内容 在本课题中，一方面将努力跟踪世界上d s l 发展的最新动态，另一方面 将在综合考虑技术及经济可行性的基础上，设计出用于高速x d s lm o d e m 。 l i u 。p o w e r p c 稳定电路和完整的数据收发模块，并进行相应的实验： 5 武汉理工大学硕士学位论文 l 、设计出m o d e m 电路( 包括r o o t - s c h e m a t i c s e t l l e m e tm o d u l e h d l ca n d t d mm o d u l e m c um o d u l ep o w e rm o d u l e x d s l m o d u l e ) 、l i u c a r d p o w e r p c 电路及增益控制( a g c ) 电路。 3 、研究u s b 的接口h d s ls l i c 问题。 4 、研究高速数据( 2 3 m ) 的转换问题、利用p a c k a g e 传输的调制和解 调技术。 6 武汉理工大学硕士学位论文 第二章数字用户环路( d s l ) 中的关键技术 d s l 技术是以双绞线为基础的铜缆技术用户对增容系统、对称式数字用 户环路系统。它是以原有的铜质导线线路为主，在非加感的用户线上通过采用 先进的数据信号处理技术来提高双绞铜线的传输容量，向用户提供各种业务的 接入手段。在数据通信系统中，首先要把用比特表示的二进制数据变换成可以 在通信信道上传输的信号。由于通信信道中存在噪声、衰落和多径效应等非理 想因素，因此会引起传输的差错，即误码。为减少误码，通常还需要各种检错、 纠错的手段。 2 1 调制技术 在d s l 中，应用最多的调制形式是脉冲幅度调制( p a m ：p u l s e a m p l i t u d e m o d u l a t i o n ) 和正交幅度调制( q a m ：q u a r e a t u r ea m p l i t u d em o d u l a t i o n ) 。此外， 在a d s l 和v d s l 中采用了离散多音调制d m t 和无载波调幅调相( c a p ) 。 2 1 1p a m 调制 1 p a m 调制原理 p a m 调制的概念非常简单，它就是采用不同的发射信号幅度来表示不同的数 据比特。例如，1 比特的数据信息，具有0 、1 两种取值，因此可以用一2 和+ d 2 两种幅度电平来表证，其中d 是两个电平之间的电压差值。如果数据信息为2 比特，即具有0 ，1 ，2 ，3 四种取值，则可以用一3 2 ，一2 ，+ 2 ，+ 3 2 四种 幅度的电平来表征，两个相邻电平之间的电压差依然为d 一般的，如果p a 【调制要表征b 比特信息，则需要电平数为： m ：2 6 ( 2 1 ) 2 信号星座与基函数 经过e d d 调制之后的信号需要在信道中进行传输，因此它一定要具有某种 波形形状。p 枷调制就是利用这种波形不同的幅度来表征不同的数据，因此，p a m 调制的特性是由波形和幅度两个因素来决定的。 在研究p i 幅度的影响时，可以把p a m 调制中的信号波形抽象为一个坐标 轴，而把波形电平的变化看作是这个坐标轴上所对应的不同坐标。这样，p i 调 制后的信号就可以用一个矢量来表征。由于信号传输中的波形可以是多种多样 的，因此采用这种方法，可以忽略传输中实际波形的影响。只研究调制本身的特 7 武汉理工大学硕士学位论文 性。 “信号星座图”：把调制信号波形抽象为坐标轴，而把调制的电平作为不同 的坐标值。p a m 的信号星座图是一个一维图。对于b 特数据，它在一维坐标系中 的坐标值分别为一( m - 1 ) 2 ，一( m 一3 ) d 2 ，一3 d 2 ，一2 ，+ 2 ，+ 3 d 2 ，( m 一3 ) 2 ，( m 一1 ) d 2 。其中m = 2 。 由于发射波形被抽象为坐标轴，因此从数学上看，它等效于信号调制中的 “基函数”。显然，p a m 只有一贯发射波形，也就是只有一维基函数。p a m 就是利 用基函数的幅度变化来表征不同的数据信息的。 3 基函数波形与符号速率 在p a l 调制中，幅度电平的变化必须依托于某种信号波形，即基函数。基 函数波形的选择不是任意的，而是需要满足某些准则。最基本的准则是：l 基函 数波形必须是能量有限的；2 基函数波形的选择应该减小传输中的干扰。此外， 基函数波形所占用的带宽、定时复位的难易以及有无直流分量等等也是选择是应 考虑的因素。 一种可以在p a m 调制中应用的基函数波形是s i n c 函数型的脉冲。s i n e 函数 的定义为： s i n c ( x ) = s i n ( z x )( 2 2 ) 0 i 畦i 厂 lq l。 二浏八 p 鞑皲 i p | | | | 2 - 1s i n e 函数波形图 由式( 2 2 ) 及图2 - 1 中可以看出，s i n c 函数是由一个位于( - 1 ，i ) 之间的 主瓣和两边逐渐衰减的旁瓣所组成。主瓣的峰值幅度为1 ，根部宽度为2 。在相 。 啦 眈 o 武汉理工大学硕士学位论文 对于峰值衰减4 d b 的地方，主瓣的宽度为1 ，因此通常称s i n c 函数的主瓣宽度 近似为1 。在自变量为整数的点上，s i n c 函数取值都为0 ，即s i n c 函数有很多 零点。第一旁瓣紧邻主瓣，最大幅度为一0 2 1 6 。与主瓣峰值相比，第一旁瓣衰减 为- 1 3 2 d b ，自第一旁瓣向外，旁瓣幅度逐渐减小，旁瓣幅度的速度为每2 倍时 间衰减6 d b 。 在采用s i n c 函数作为基函数波形发送数据时。p a b l 调制就是利用s i n c 波形 幅度的变化来表征不同数据的大小。这里，s i n c 波形应以一定的速率进行发送， 这一速率被称为“符号速率”( s y m b o lr a t e ) 。符号速率的倒数被称为“符号周 期”，通常用，来表征。考虑了符号速率后的s i n c 波形为： 厅t 1 二s i n c ( ) ( 2 3 ) ，一 显然，这一波形的主瓣宽带为兀波形的峰值幅度为4 1 t ，这是为了使整 个波形的能量归一化。在n ，时刻( n 为不等于0 的任意整数) ，信号的幅度为0 ， 因此可以保证在不同7 时刻发送的波形互不干扰。这是选择s i n c 函数作为调制 基函数的主要原因。 一i 卜1 , i i 仆f l 妻 2 - 2s i n c 函数频谱图 5 传输速率与传输能量 9 武汉理工大学硕士学位论文 如果用一个p a m 调制采用m 级电平表示b 特信息( m - 一2 6 ) ，而它的符号 速率为l i t ，则该p a m 调制信号的传输速率为： b x l r = b t ( b i f f s 、 ( 2 5 ) 可以看出，提高p a m 传输速率的方法主要是2 个：一是提高符号速率，二 是提高每个符号中的电平级数。但是这两种方法都会受到一定的限制。提高符号 速率会受到信道带宽的限制，因为信道带宽是有限的，因此符号速率不能无限提 高。增加在每个符号中的电平级数则要受到两个条件的制约：一是信号能量，二 是信道噪声。 这里，p a m 编码的平均信号能量可以根据信号星座的平均能量求出，其大 小为： 驴万1 2 _ m 烈一, 2 ( t 2 k - 1 j ) 2 d 2 ( 2 6 ) = 斋黔2 锄+ ) = 鲁2 一t ) 从式中可以看出，每个符号中的电平级熟与信息能量占，和电平间距离d 有关。如果增加而维持d 不变，则信号能量s ，会随成平方关系增加。而实际 中的信号传输能量总是有限的，这就是信号能量对提高的限制。如果增加 而维持占。不变，则d 会减小。由于传输信道中存在噪声，因此当d 减小到一定 程度，信道噪声会使相邻两级电平发生混淆，造成误码。这就是信道噪声对提高 的限制。 对上式进行简单的变换，考虑到 庐26 即m 2 - - 46 ，故有： 铲鲁- ) 亿， 如果在比特数b 的基础上递增i b i t ，而维持最小距离为常数，则有： q ( 1 ) = 4 驰) + 譬 ( 2 8 ) 式是p a m 编码中最为重要的关系式之一，它说明当b 较大时，信号星座中每加 武汉理工大学硕士学位论文 i b i t 信息。需要信号能量增加为4 倍，即6 d b b i t 6 2 8 1 q 与d s l 如果选择p a m 编码的j = 4 ，则p a m 调制在一个发射波形中就可以表示2 b i t 信息( 4 = 22 ) ，所谓2 8 1 q ，指的就是这种p a m 调制形式，b 表示“比特”( b i t ) ， q 表示“4 电平”( q u a t e r n a r y ) 。因此，2 8 1 q 就是用一个4 电平p a m 调制表示2 b i t 信息。在i s d n 和h d s l 中，都采用了2 8 1 q 的调制形式，其中的信号波形如上式 所示。在i s d n 中，符号速率为1 t = 8 0 k h z ，而在每个符号周期有4 种波形幅度 变化，因此可以传输2 b i t 信息，这样，i s d n 的总比特率为：8 0 k 2 = 1 6 0 k b p s ， 在h d s l 中，每对电话线上的传输速率为1 t _ 3 9 2 k h z ，在考虑到每个符号周期可 以传输2 比特信息，因此每对电话线上的比特率为：3 9 2 k 2 = 7 8 4 k h z ，这样， 如果采用2 对或3 对线，就可以实现1 5 4 4 m b p s 或2 0 4 8 m b p s 的h d s l 总传输 速率。 2 1 2 q a m 调制技术 q a m 是基于正交载波的抑制载波振幅调制，载波频率只有一个，相位不同， 具有合理的信号矢量分布，很高的频谱利用率。 正交幅度调制( q a m ) 系统首先把发送码流经过比特符号编码分成两个数 据流。这两个数据流分别通过两个低通脉冲形成滤波器，即形成不同进制数的 p a m 信号，对两个正交载波进行调制后相加得到信道传输信号。因此所对应的 映射符号集是二维分布的，如图2 - 3 所示为4 b i t 对应的1 6 点星座图。每4 b i t 分 配给x 轴、y 轴各2 b i t ，映射成一个符号。在符号速率一定的情况下，传输的数 据速率取决于星座图的大小。由于双绞铜线的信道特性在不同频率差别很大， j 。y 图2 - 3 1 6 q a m 高频衰减严重，再加上各种损伤，接收端要采用复杂的接收技术。目前般在接 收端采用个最小均方误差( m m s e ) 的判决反馈均衡器r ( d f e ) 。d f e 的最优节点 系数通过使检测器输入端，与检测到的d f e 输出符号间的m s e 最小来获得。该 技术不需在传信开始时初始化系统。 武汉理工大学硕士学位论文 2 1 3 无载波调幅调相( c a p ) c a p ( c a r r i e r l e s sa m p l i t u d ep h a s e ) 的系统方框图如图2 - 4 所示。c a p 与 q a m 无本质不同，它是无载波的q a m 。所不同的是，c a p 同相和正交两路信 号随后通过的是两个不同的数字横截滤波器，再相加合成得到信道传输信号。这 两个数字模截滤波器的冲激响应是一对希尔伯特( h i l b e r 0 变换对。c a p 不必像 q a m 那样，需要两个正交的载波。 c a p 的关键是接收端的符号判决。符号判决采用无载波最大似然序列估计 ( c m l s e ) 的方法，并在判决前通过c a p 线性均衡( c l e ) ，或c a p 判决前反馈均 衡( c d f e ) ，或c a p 有限判决反馈均衡( c f d f 日等均衡方法来减小i s i 。均衡的方 法和效果直接影响c a p 的性能。 数字横截滤波器 2 - 4c a p 收发信系统 c a p 实现起来比较简单，技术比较成熟，市场上已有c a p - - a d s l 的商品 其性能可满足近期宽带业务( 1 5 4 4 2 0 4 8 m b i t s ) 的需求。 2 1 4 离散多频音( d m t ) 调制 d m t 是一种多载波调制( m c m - - m u l t i c a r r i e rm o d u l a t i o n ) 技术，在可用带宽 内，把整个信道分成若干个子信道。子信道内的频谱可以近似认为平坦，各子信 道间的噪音也可视为互相独立。d m t 调制的发信系统框图如图2 5 所示。 将发送比特流分配给各个子信道，经q a m 映射，变成n 2 路复值并行信 号。使输入数流被分成若干符号块，每个符号块被分成n 2 个符号 吼，k - - o 1 ，( n 2 1 ) ，它们由n 维抽样正弦波调制矢量i 独立调制，然后加起 来形成一n 维被调制的发送信号样值x 。，n = o ，l ，n - 1 。第k 个调制矢量 是离散傅里叶反变换( i d f t ) 矢量： p k5 【仇0 p k 1 p i 一l 】 ( 2 9 ) 1 2 武汉理工大学硕士学位论文 即 鼽p 兰专e ，k 肼 偿 即对吼进行i d f t 就可得到发送样值x 。 为了保证发送信号样值x 。是实值，根据i d f t 的性质，a i 必须共扼偶对称， 吼= d ；一 k , n = 0 ，1 n - 1( 2 1 1 ) 然后再作点i d f t 。可见，d m t 调制是利用数字信号处理技术数字化完 _ _ - b 忙号集l x _ 解 z信号噪声vy 数模 f码 变换 f和 o 数模 妒 和 t比 比 倒一 1 特 变换 分 f 和 配f 低通氐通 变特 和t 滤波嬉波 换缓 编 锑 变 每与 y 换 存 码 li _ _ 2 5 d m t 调制基本结构 成的，只需将输入比特流变换后经i f f t ，并不要求使用任何载波调制频率或调 制器。 d m t 系统采用完全自适应的技术，系统在初始化时，通过发送训练序列来 测试各子信道的特性，即信道估计，根据各条线路的衰耗和噪声特性，自适应地 对收发信机进行初始化。主要完成两件事，一是将发送数据动态地分配到由载波 频率指示的子信道上，性能好的分配的比特多些，性能差些的分配少些比特，最 差的子信道不载数据，予以关闭，每符号含l 1 5 b i t ，符号速率较低；二是使用 自适应算法来调整收发信机中自适应数字滤波器的参数( 均衡器、回波抵消器 等) 。由于在传输过程建立的初始化阶段要求时间较短，一般为i s ，这就要求比 特分配的算法和均衡器调整方法简单，且性能优良。这种动态分配数据的技术使 可用频带的平均传信率大大提高，整个回路的数据传输能力达到最大。还可使用 f f t 和i f f t ，故在计算方面显出优越性，易用专用芯片实现。 2 1 5 离散小波多音调制( o w m t ) 在d m t 系统中，一个频域符号块经调制变成另一个时域符号块，不管在 出特 输一比 武汉理工大学硕士学位论文 时域或频域符号块之间互相独立，不重叠。而对于d w m t 系统，频域中的g 个 符号块i , i - 1 。i - g + 1 中的每个符号对时域中的某一个符号块都有影响，因而在调 制器中，若符号块为m ，需要一个a m 大小的符号缓存器，而第1 个频域符号块 对时域符号块的影响是从第i 帧开始，直到第i + g - i 帧，因而在接收端需要接收 到第f + 哥1 帧时域符号块后才能解出第i 个频域符号块。d w m t 采用离散小波 变换完成调制解调。 d w m t 更能忍受噪声干扰、窄带干扰和接收端结构的限制。因为d w m t 不需要前置均衡器和循环前缀，就能满足性能要求，与d m t 相比，不会有速率 的损失。但由于符号块之间要重叠，会产生块间干扰，故后置均衡要复杂些。 目前，多载波调制( m c m ) 技术在传输领域正受到极大的重视。尽管在结构 上较单载波调制复杂，但克服了单载波的许多缺点。 多载波调制采用自适应技术，每个子信道都独立于其它子信道，在每个子 信道内，只要信道分得足够细，则信道频响就是完全平坦的。在无限字符长度情 况下。载波间隔趋近于零，各子信道是平坦信道即无码问干扰( 1 s 1 ) 。这样当信 道特性较差，具有深度衰落时。多载波系统性能显著优于单载波系统。 由于码元时间被大大扩展，系统对突发脉冲噪声干扰的抵抗能力大大增 强。 其应用范围之广主要原因是近期d s p 和v l s i 的大力发展，使得大量的复 数运算和高速存储器的实现己不存在问题，特别是可以运用快速算法。 对于1 s i 严重的信道。多载波系统可采用较短的时域均衡器和加循环前 缀的方法利有效她去除，或不用前置均衡。而对单载波系统要达到良好性能，其 m m s e - - d f e 则需非常复杂，f r 的抽头数多达1 0 0 节左右，且很难在全带内良 好均衡。多载波中每个子信道仅占原先频宽的很小一部分，均衡要简单得多，在 每个子信道上可用一个一节的复数f i r 滤波器来均衡信道幅频和相频的失真。 单载波和多载波系统都能传送2 m b i t s 低速率数据，而多载波系统能在 6 m b i t s 以上的速率实现高质量的传输。 但是多载波系统具有的自适应性，使得系统复杂性增加了在传信开始前