（通信与信息系统专业论文）高效话带调制解调器全数字接收技术的研究.pdf

摘要 现代社会中，网络正在逐渐的渗透进人们的日常生活给人们的工作、生活、娱乐等带 来方便和快捷。但不法分子利用网络来进行相互的联系和非法信息的传播也大大增加，对于 特定的犯罪嫌疑对象，若能对其上网信息进行监控，就可据此采取相应措施，阻止其对社会 产生更大的危害。而目前在各种网络接入方式中，利用普通电话线拨号接入i n t e r n e t 占到大 多数，因此，我们结合p s t n ( 公众电话交换网) 数据截获系统，开发了一套针对拨号上网 方式下数据钓接收系统。 话带m o d e m 中发送端所采用的技术以及调制发送规程完全由i t u 所制定的v 系列协 议进行统一，对接收端部分i t u 未做任何规定，完全由各开发商自行决定。而国外m o d e m 厂商对自己的具体接收机方案都进行了专利保密。本论文的主要工作就是对话带m o d e m 传 输哳议中稠制器所用到的技术进行了详细研究，给出了符合i t uv 3 4 和v 9 0 协议的接收机 方案，基于全数字接收机的概念，实现接收机中解调部分，并最终结合解码和纠错、解压缩 模块，实现了全软件m o d e m 的接收机。 本文主要分为五章，第一章介绍课题背景，并对电话线拨号上网作一个简单介绍；第二 章回顾了话带m o d e m 传输协议的制定过程以及相应的传输技术发展历程；第三章则详细介 纠了当前应用最普遍的v 3 4 和v 9 0 m o d e m 传输协议，对发送机所采用的各个关键传输技术 进行了研究；针对本课题背景，提出了基于全数字接收机的概念来实现m o d e m 的接收部分。 并在第四章中系统而全面的论述了全数字接收机的基本理论和实现方法，对全数字极大似然 接收机进行了深入研究，然后详细分析了可以获得全数字接收机可实现算法利结构的两种途 径，最后分析研究了全数字接收机中的特殊问题一插值滤波器的设计幂i 控制；在此基础上， 在本文的第五章中，论述了m o d e m 接收部分的设计与实现，包括方案的工作原理、系统框 图和各个子模块的结构图，并针对实际截获数据进行了测试，考察了接收机的实际运行情况。 话带m o d e m 以其设备简单、使用方便、价格相列较低等优势，在i n t e r n e t 至今的发展 过程中，得到了广泛应用，推动了i n t e m e t 的飞速发展并使得i n t e r n e t 走八人们的平常生活， 使得网络更加贴近普通人。虽然现在话带m o d e m 的传输速率已经基本上达到了香农极限， 将要被更快的网络接入方式所替代，但是研究其所采用到的各种传输技术，对于研究新的信 息传输系统仍然有着积极的意义。 关键字：i n t e m e t 接入话带凋制解凋器预编码分数间隔均衡器回波抵消 a b s t r a c t i nt o d a y sm o d e r ns o c i e t y , i n t e r n e th a sb e c o m i n ga ni n c r e a s i n g l yi n t e g r a t e dp a r ti np e o p l e s d a i l yl i f e ，b r i n g i n gc o n v e n i e n c ea n ds w i f t n e s st o o u rw o r k ，l i f e ，a sw e l la sr e c r e a t i o nt h e p o p u l a r i z e du s eo fi n t e m e lo nt h eo t h e rh a n dh o w e v e r , a l s oe n h a n c e st h ep o s s i b i l i t yo fs o m e i l l m i n d e dp e o p l ei l l e g a l l ye x c h a n g i n ga n dd i s s e m i n a t i n gf a l s ei n f o r m a t i o n i fw ec o u l dc o n t r o l t h ep a s to n l i n er e c o r do f s o m ec e r t a i ns u s p e c t s ，c o r r e s p o n d i n gm e a s u r e sw o u l db et a k e nt op r e v e n t t h ec r i m i n a lf r o mf u r t h e re n d a n g e r i n go u rs o c i e t y a m o n gt h ev a r i o u si n t e r n e t - c o n n e c t j n gw a y s ， d i a l - u pt h r o u g hc o m m o nt e l e p h o n el i n et a k e su pt h em a j o r i t y i nt h el i g h to fd i a l u pm o d e l ，w e d e v e l o p e dar e c e i v e rs y s t e mb a s e do np s t n ( p u b l i cs w i t c h e dt e l e p h o n en e t w o r k ) o w n i n gt ot h et e c h n o l o g ya d o p t e db yt h et r a n s m i t t e ro fv o i c e - b a n dm o d e ma r et o t a l l y d e f i n e db yt i l ei t us g1 4 ，t h e r eh a s h tb e e na n yr u l e sf o rt h ei t ui nt h er e c e i v i n gp a r t a n d f o r e i g nm o d e mp r o d u c e r sh a v ep a t e n t e dt h e i rr e c e i v i n gp l a n s b a s e do nt h ed e t a i l e dr e s e a r c ho n t h et e c h n o l o g i e sa d o p t e di nt h em o d u l a t o ro fv o i c e - b a n dt r a n s m i s s i o np r o t o c o l ，t h i st h e s i sh a s g i v e n o u tar e c e i v e r sp l a nc o n f o r m i n gt oi t uv 3 4a n dv 9 0t r a n s m i s s i o np r o t c 0 1 o nt h eb a s i so f t h en o t i o n ：a l ld i g i t a lr e c e i v e r , t h i st h e s i sh a s f i n a l l ya c c o m p l i s h e da l l s o f t w a r em o d e m r e c e i v e r b yc o m b i n i n g r e c e i v e r sd e m o d u l a t o r 、d e c o d e re r r o rc o r r e c t i o na n d u n c o m p r e s sp a r t t h i st h e s i sc o n s i s t so f f i v ep a r t s ：t h ef i r s tp a r ti sa ni n t r o d u c t i o no fr e s e a r c hh a c k g r o u n da n da b r i e fe x p l a n a t i o no ft h ed i a l u p p r i n c i p l e t h e s e c o n dp a r tr e v i e w e dt h e p r o c e s s o fm a k i n g v o i c e - b a n dm o d e mt r a n s m i s s i o n p r o t o c o l a n dt h e d e v e l o p m e n t o fr e l e v a n t t r a n s m i a i n g t e c h n o l o g i e s t h et h i r dp a r ti l l u s t r a t e di nd e t a i lt h ev 3 4a n dv 9 0p r o t o c o l s ，w h i c ha r ei nm o s t c o l n m o nu s ec u r r e n t l y , a n dd i s c u s s e de v e r yk e y t r a n s m i t t i n gt e c h n o l o g i e su s e di nt h et r a n s m i t t e r u n d e rt h er e s e a r c hb a c k g r o u n d ，t h et h i r dp a r th a sa l s op u tf o r w a r da w a yo f r e a l i z i n gt h er e c e i v i n g p a r to fm o d e mb ym e a n so fu s i n ga i d i g i t a lr e c e i v e rc o n c e p t a n dt h ef o u r t hp a r tr e s u m e dt h e d i s c u s s i o nb yp o s i n gt h eb a s i ct h e o r ya n dr e a l i z i n gm e t h o do f a l ld i g i t a lr e c e i v e r o na d d i t i o nt o t h a t ，t h ea u t h o rh a sm a d eat h o r o u g hr e s e a r c ho nt h em a x i m u m l i k e l i h o o dr e c e i v e ra n d a c c o m p l i s h e dt w ow a y so fa l g o r i t h ma n ds h u c t u r ew h i c hc a l lb er e a l i z e di np r a c t i c e ，a n df i n a l l y a n a l y z e dt h ed e s i g n a t i o na n dc o n t r o lo fi n t e r p o l a t i o nf i l t e r ap a r t i c u l a rp r o b l e mi na l ld i g i t a l r e c e i v e r b a s e do na l lt h ef o r m e rr e s e a r c h ，t h ef i f t hp a r td e p i c t e dt h ed e s i g n a t i o na n dr e a l i z a t i o n o fm o d e m sr e c e i v i n gp a r t ，i n c l u d i n gt h ew o r k i n gp r i n c i p l e s ，s y s t e mf i a n l e w o r ka n ds t r u c t u r a l d i a g r a mo fs u b - m o d u l e s ，a n de x a m i n e dt h eo p e r a t i o n a l e f f e c to ft h er e c e i v e r b yt e s t i n gt h e i n t e r c e p t e dd a t a w i t h i t s s i m p l i c i t y i n f a c i l i t y , e a s i n e s s i n u s a g e a n dc h e a p n e s si n p r i c e ， v o i c e 。b a n dm o d e mh a sb e e np u ti n t oe x t e n s i v eu s e ，p r o m o t i n gt h er a p i dd e v e l o p m e n to fi n t e r n e t a n db r i n gi n t e r n e ti n t o d a i l yl i f e o fc o m m o np e o p l e d e s p i t et h et r a n s m i t t i n gr a t eh a sa l m o s t r e a c h e di t ss h a n n o nl i m i t a t i o na n dw i l lb es u b s t i t u t e db yo t h e r c o n n e c t i n gw a y s w i t hh i g h e rs p e e d ， t o s t u d yt h e c u r r e n t t r a n s m i t t i n gt e c h n o l o g y i ss t i l lo fa c t i v e i m p o r t a n c e i n d e v e l o p i n gn e w i n f o r m a t i o nt r a n s m i t t i n gs y s t e m k e yw o r d s ：i n t e r n e ta c c e s s ，v o i c e b a n dm o d e m ，p r e c o d i n g ，f s e ，e c h oc a n c e l l e r v 3 4 ，v 9 0 ，a l ld i g i t a lr e c e i v e r 学位论文独创性声硐 本人声明所呈交的学位论文是我个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 其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南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了谢意。 签名：丝日期；必 1 共于学位论文使用攫权的说明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位 论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人 电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论 文被查阅和借阅，可以公布( 包括干0 登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包 括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 签名。追导师签名： 东南大学硕：k 研究生论文 第一章绪论 1 1i n t e r n e t 现状及接入方式 i n t e r n e t 最早来源于1 9 6 9 年美国国防部高级研究计划局( d a r p a ) 的前身a r p a 所建 立的a r p a n e t 。该网当时主要是为了用于军事研究目的而设立的，主要特点是采用了包交换 技术、资源共享、分布式技术以及分层的网络通信协议等。 而1 9 8 6 年，为了让美国各地的科学家、工程师能够共享当时的六大超级计算机中心， 美国国家科学基金会( n s f ) 建立起了n s f n e t ，并最终在1 9 9 0 年完全取代了a r p a n e t ，成 为i n t e r n e t 的主干网，n s f n e t 的最大贡献就是使i n t e m e t 开始向全社会用户开放，而不是象 咀前那样仅仅让计算机研究人员、政府职员等使用。 随着现代科学技术的发展i n t e m e t 已经成为人们日常生活的一个重要组成部分，它使 得信息的共事和传递变得简单，也给人们的工作和生活带来更多的快捷和方便，并仍将继续 渗透入社会的方方面面。 现在常用的i n t e r a c t 接入方式有：电话线拨号、i s d n 、c a b l em o d e m 、x d s l 等几种。 其他的比如无线上网、以及光纤网到小区用户通过局域网接入i n t e m e t 等还处于起步阶段， 没有开始大面积推广。其中电话线拨号是现在使用最为普遍的上网方式，方式为使用本地话 带m o d e m ，通过用户端普通双绞电话线连至公众电话网( p s 耵q ) ，利用p s t n 与i n t e r n e t 服务提供商( 1 s p ) 之间建立连接，从而实现对i n t e m e t 的接入。电话线拨号接入的缺点是上 网速度较慢，下行速率晟高只到5 6 k b p s ：优点是设备简单。仅需一个很便宜的调制解调器， 再加上入户率非常高的普通电话线就可以接入互联网，另外使用价格比较低且非常方便，用 户可以随时开始或者停止使用无需任何手续和认证。 i s d n 即综合业务数字网，它由电话综合数字网( i d n ) 发展而来，俗称“一线通”。i s d n 在互联网接入速率上有所提高，而且上网的同时能够不影响电话的使用。连接速率方面 i s d n 能够提供两个6 4 k b p s 的b 通道和一个1 6 k b p s 的d 通道，但是需要安装专用m o d e m ， 相对于普通电话线上网，成本较高。 c a b l em o d e m 技术，是指利用有线电视电缆作为介质实现数据通讯的调制解调技术。有 线1 4 土视采用光纤和同轴缆混和网传输数据，具有频带宽、传输率大等特点。典型的m o d e m 连接在有线电视插座上，可以为用户提供5 0 0 k b p s 1 0 m b p s 的下行速率，最高时可以获得 1 东南大学硕二k 研究生论文 3 0 m b p s 的传输速率。由于在我国的主要城市中，有线电视电缆的入户率仅次于电话线路， 发展前景非常可观。 数字用户环路( d s l ) 是一种崭新的调制解调技术，这种技术能够在普通电话线上提供 非常高的数据速率。d s l 技术主要有非对称数字用户环路( a d s l ) 、单路数字用户环路 ( s d s l ) 、高速数字用户环路( h d s l ) 和甚高速数字用户环路( v d s l ) 等。其中s d s l 利h d s l 两种技术特点是上下行速率相同，即对称式d s l 技术该类技术适用于专业用途 的高速数字通讯。a d s l 和v d s l 则是非对称的下行速率都远高于其上传速率。其中a d s l 技术较为成熟，发展最快，在一般电话局覆盖的范围内( 1 0 ，0 0 0 英尺) ，平均可以提供6 m b p s 下载速率和6 4 0 k b p s 上传速率。 a d s l 也是利用普通电话线来传输高带宽的数据，通过采用新的调制解调技术，利用普 通电话线话音频率之外的传输特性，在不影响原有语言信号的基础上，扩展了电话线路的功 能。当电话线两端接有a d s l m o d e m 时，这段线路上会产生3 个信息通道，一个为1 5 m b p s 8 m b p s 的高速下行通道；一个为1 6 k b p s 1 m b p s 的中速双工通道，用于a d s l 控制信号的 传输和上行数据传送；还有一个为普通电话服务通道，三个通道可以同时工作，互不干扰。 a d s l 在当前是高端用户选择宽带接入i n t e r n e t 的首选。但是需要安装专用的支持a d s l 的 m o d e m 或网卡一次性投入成本较高，而且必须当地电话局配备专用设备，提供a d s l 接 入服务。 不同的i n t e r n e t 接入方式各有千秋，其中普通电话线上网以其简单、方便、廉价仍为现 在广大普通用户的首选，占到各种i n t e m e t 接入方式的7 0 k a 上1 5 3 1 , 另外一种采用比较多 的上网方式为1 s d n ，这主要是前段时间电信的大力宣传推广的结果，但实际上由于它对下 行速率并没有提高很多，对于现在对宽带网络的要求还不能很好的满足。而a d s l 虽然设 备较为昂贵，但因其速度与线路优势，发展十分迅速，正在成为事实上的宽带网模型，是新 选择宽带接入i n t e m e t 用户的首选。而c a b l em o d e m 接入在国内，还没有开始正式大面积推 广，无线上网更是离大面积应用还有很长一段距离要走。 1 2 课题背景 i n t e r n e t 的出现与飞速发展，极大的方便了普通用户，它具有易接入、易使用的特点， 而且绝大多数情况下网络接入无需身份认可。现在的i n t e r n e t 已经发展成为全球范围内的网 络，不可能由任何一个组织或者政府来统一管理和约束，i n t e m e t 的这种网络自由性或者说 2 东南大学硕士研究生论文 无政府性。就不可避免的使得一些不法行为也借助网络这种便利形式孳生蔓延开来。目前主 要涉及以下几个方面：破坏信息网络系统、非法侵入计算机系统、传输和扩散非法信息等等， 另外不法分子利用网络来进行相互联系的情况也大大增加。因此对于特定的犯罪嫌疑对象， 如果能对其上网信息进行监控就能掌握有力的证据做出相应的措旌，从而阻止其对社会产生 更大的危害。 虽然利用普通电话线和m o d e m 接入i n t e r n e t 的数据传输速率较低，而且其他各种上网 接入方式越来越多。各种宽带技术正逐渐得到普及，但在目前阶段，使用基于普通电话线加 m o d e m 拨号上网在各种上网方式中还是占据着很大一个比例而且仍然会在相当艮的一段 时间内继续存在。本课题主要就是基于当监控对象使用m o d e m 拨号上网时，在交换机处截 获此连接链路上的传输数据，然后对其进行解调和数据的恢复，从中获得所需监控信息。本 课题是应国家安全部门的要求而提出的。 图1 1 ：数据截获方式 1 3 电话线接入i n t e r n e t 简介 i n t e m e t 初期主要是实现电子信函等多种数据通信，同时也可以让用户互相传送有用的 数据信息。当时在世界范围内，各国长期以来对公众普遍开放使用的通信网，就是公用交换 电话网( p s t n ：p u b l i es w i t c h e dt e l e p h o n en e t w o r k ) ，所提供给用户的通信业务以电话为主， 接通率比较高，而且用户双方实时会话质量很好。因此最初利用已有的电话网，经过用户电 缆中双绞铜线的用户线( s u b s c r i b e rl i n e ) ，传送信号至交换局，通过p s t n 网络来接入i n t e m e t 就被作为普通用户接入i n t e m e t 的首选方案。 对此，当时电话网的运营者特地设计调制解调器，为普通用户服务。最初的m o d e m 传 输标准是由美国的a t & t 和b e l l 实验室提出的b e l l1 0 3 和b e l l2 1 2 a ，后来对传输协议制定 的标准化、国际化要求。使得这个任务交由c c i t t 来完成，陆续制定了从3 0 0 b p s 到9 6 0 0 b p s 的各种传输标准。1 9 9 0 年开始c c l t i 更名为i t u ( i n t e m a t i o n a lt e l e c o m m u n i c a t i o nu n i o n ) 。 东南大学硕= l 研究生论文 新的vf a s t 系列m o d e m 传输协议的制订由i t u 继续进行，并于1 9 9 4 年公布了支持2 8 8 k b p s 和3 3 6 k b p s 的新标准v 3 4 ，于1 9 9 8 年综合了当时国际上两种不同的高速m o d e m 传输协议， 制定出v 9 0 标准，将下行速率提高到5 6 k ，基本上已经达到话带信道的数据传输速率极限。 1 4 电话线信道传输特性 为了提供话音服务，电话线信道的当初的设计带宽就是以话音所在频率的带通信道，双 绞铜线在本地交换和用户前端提供的普通电话业务的设计带宽为模拟信道3 0 0 h z 3 4 0 0 h z ( 即带宽为3 1 k h z ) 另外可能存在着各种滤波器、混和线圈、串联电容以及分路电感等， 再考虑线路损耗，因此电话信道的传输特性是非理想的。图1 2 给出个典型的普通电话线 所提供的话带幅频特性和相频特性。 这是在电信交换网中等距离( 1 8 0 7 2 5 公里) 下，对电话信道进行实测，得到的经平 均后信道幅度和时延的频率函数。可以看出，电话线信道的低频端截止频率大约在3 0 0 h z 处，再往低端去，每倍频程韵衰减将升高1 5 2 5 d b ；而高端在3 3 0 0 h z 左右，再往高频处， 衰耗增长非常的快，每倍频程大约增加8 0 9 0 d b 。因此普通的电话线信道，是典型的带宽 受限信道( b a n d - - l i m i t e dc h a n n e l ) 。 早期的中低速m o d e m 中，通常所利用到的频带为双绞线所提供的，信道特性比较好的 6 0 0 h z 3 0 0 0 h z 之间这一段。例如，早期的v 2 6 和v 2 6 b i s 建议中，调制信号的载频为 图1 2 ( a ) ：电话线路幅频特性图1 2 ( b ) ：电话线路相频特性 1 8 0 0 h z ，符号速率为1 2 0 0 h z ，利用的是1 2 0 0 h z 2 4 0 0 h z 这一段信道：为了提升速率，在 v 2 7 和v 2 7 b i s 协议中，c c i t t 建议采用的符号速率为1 6 0 0 波特，s ，载频仍然18 0 0 h z ，利 ，4 东南大学硕士研究生论文 用话带信道内1 0 0 0 h z 2 6 0 0 h z 这一段# 到了v 2 9 和v 3 2 协议的制定时，传输信号的波特 率选定为2 4 0 0 h z ，所用到的信道为6 0 0 h z 3 0 0 0 h z 这一段。到了近期，随着m o d e m 传输 技术的进步，所能利用到的信道带宽越来越大，在v 3 4 协议中，最高符号速率已经达到3 4 2 9 波特s ，载频为1 9 5 9 h z ，囡此所用到的最大电话线传输频带为2 4 4 h z 3 6 7 4 h z ，由上面图 1 2 中可以看到，此时信道两边对信号的衰减非常大，通常可以高达到2 0 d b ，囚此，在v 3 4 协议中，采用了一系列的传输技术来保证信号的正确传输。 噪声特性方面，电话线信道一般可以看作是加性高斯白噪声信道( a w g n ) ，特点是信 噪比比较高。在早期p s t n 中模拟线路部分比较多，测得电话线连接信道的信噪比一般为 2 4 d b 3 0 d b ，典型值为2 8 d b 左右。而现在p s t n 通信网中，备局间连接基本上已经改造为 以光纤为介质的数字连接，线路连接质量改善为为3 0 3 6 d b ，典型值为3 2 d b 。 在带限a w g n 信道条件下，信道容量可以由香农公式得到： c - 聊。文彘j 似。 因此，对于信噪比为2 8 d b 的条件下，传输带宽为1 2 0 0 h z 、1 6 0 0 h z 和2 4 0 0 h z 时的香 农极限信息传输速率分别为：1 1 2 k b p s 、1 4 8 k b p s 和2 2 3 k b p s 。当信噪比提升到3 2 d b ，带宽 为3 4 2 9 h z 时，由公式( 1 - 1 ) 可以得到信道的香农极限为3 6 k b p s 左右。 可以看到随着调制解调技术的进步和p s t n 线路质量的提高，话带m o d e m 的数据传输 能力也在不断的提升。通过将各种复杂的传输技术有效的结合在一起，现有的m o d e m 已经 基本达到电话线信道传输的性能极限。 1 5 本文的主要工作 通过普通双绞铜线和本地话带m o d e m ，利用现在晟普及、入户率最高的通信网p s t n 接入i n t e r n e t ，是当前应用最广泛的i n t e m e t 接入方式。话带m o d e m 仅利用电话线信道所提 供的很窄的话带频段，提供了达到普通用户基本要求的速度。在从6 0 年代开始至今的几十 年问，随着通信技术的发展，话带m o d e m 所用到的传输技术也在不停的进步，现有的传输 技术已经让话带m o d e m 的数据传输速率逼近电话线信道容量的香农极限。相剥于其他接入 方式，它有着使用方便、设备简单、成本低等优势，使得i n t e m e t 的应用能够方便的进入千 家万户，在i n t e m e t 的飞速发展中，起到了非常重要的作用。 而本文在课题背景中，实现了当特定用户用话带m o d e m 接入i n t e r n e t 时，在交换机端 东南大学硕- j r l i ；i 究生论文 对此链路截获，根据所得到传输信号的8 k h z 采样序列进行信息解调和恢复。因接收到的信 息为p c m 编码后的数字信息，而且采样时钟和接收机独立，符合全数字接收机的概念。因 此，基于全数字接收机的理论基础和结构，实现了符合7 3 4 和v , 9 0 建议的接收机。本文的 研究上作就是针对接收机的解调部分所展开。 本文的主要工作为： 1 系统雨全面的介绍回顾了话带m o d e m 从6 0 年代至今的发展历程，比较并详细讨 论了各种传输技术的引入，研究了话带m o d e m 发展历史上的几次技术飞跃，以及 m o d e m 信息传输速率提高并逼近香农极限的过程； 2 由于v 9 0 协议中，数据传输阶段下行方向采用p c m 编码调制，所以无需解调，只 需解码。而上行阶段是延续了v 3 4 协议中的调制规程。因此，本文对v 3 4 协议中 双方m o d e m 启动阶段的握手规程、发送机的结构、信号处理流程以及相应所采用 的技术进行了详细的研究和论述，从而在第五章中相应的实现了v 3 4 接收机； 3 ，对全数字接收机的基本理论和实现方法问题进行了系统而全面的论述。首先分析了 数字化前端模拟预滤波器和采样问题。然后深入研究了全数字极大似然最佳接收机 的算法和结构，由于其算法中包含非因果操作以及极大似然接索的复杂度问题，从 而不可物理实现，但可以作为次最优、可实现算法和结构的基础。接着分析了一下 两利，可实现算法和结构的途径，以及相应系统框图。最后讨论了全数字接收机中的 特殊问题：插值滤波器。 4 基于全数字接收机的架构，实现符合v 3 4 协议的接收机：详细讨论了电话线信道 中回波的产生，自适应回波抵消器的算法和结构，并基于课题背景，设计了在本课 题中特殊的数据获取方式下，合适的回波抵消器；详细研究井讨论了针对电话线这 样的带限a w g n 信道中所引入的自适应均衡技术，实现了分数抽头间隔的均衡器 及其快速初始化的方法；根据v 3 4 启动规程中的特殊训练序列，自己设计了快速 频偏估计算法，实现了前向频偏估计器；对于残余频偏和时钟相位抖动。给出了载 频相位跟踪器和时钟同步的实现方法。最后将后继的解码、解压缩模块结合在一起， 完成了符合v 3 4 和v 9 0 协议的接收机。 - 6 东南大学硕士研究生论文 第二章传输技术及协议的发展 m o d e m 是英文m o d u l a t o r - d e m o d u l a t o r 的缩写，中文译为调制解调器，其主要作用就 是实现“调制”和“解调”。因为p s t n 的主要业务是语音服务的模拟式网络( 现已转为数 字模拟混合网络) ，所以本地端的m o d e m 首先要将计算机发出的二进制信号转变为可以通 过普通电话线传输的模拟信号，即“调制”。反之，它还得把接收到的，电话线传输来的经 过调制的模拟信号，转变为计算机能够识别的二进制数字信号，即“解调”。虽然今天的电 话网络大部分都已经改造为数字线路，但是在入户的这最后一段还是用的普通双绞铜线，因 此还是需要m o d e m 来进行调制解调工作。 几十年来，话带m o d e m 伴随着数据传输业务的急剧增长而飞速发展。从6 0 年代开始 的c c i t t v 建议记录了这个发展的轨迹( 9 0 年代后改为i t u 制定建议) 。一般c c i t tv 建议的推出，是某种m o d e m 技术的成熟和商品化的标志，而实际上，首次推出市场的商品 往往还要提前1 5 年，至于研究工作的成熟就更要再提前一些。 在m o d e r n 刚刚问世的时候，还没有一个统一的国际标准组织对传输协议进行标准化， 那时的传输坍议，基本上还都是由大公司自己制定比如b e l l 和a t & t 公司就制订了自己 的传输协议：b e l l1 0 3 、b e l l2 1 2 a 。到了6 0 年代开始由c c i t t 来负责关于调制解调器的v 系列协议的标准化与在世界范围内的推广。1 9 9 0 年，c c i t t 更名为i t u ，继续负责高速v 系列m o d e m 传输协议的制定。 2 1 早期v 系列传输协议的发展 开始时的传输协议，很大程度上是针对点对点用户的，下图为简要模型 p s t n 个人用户 通信个人用户 m o d e m 网m o d e m 1 模拟横拟 ( 双绞铜线)模拟线路 ( 双纹铜线) 图2 1 ： 个人用户使用m o d e m 通过p s t n 连接模型 往往是在所需要进行数据传输的主要通信方向上，传输速率比较高，同时只提供一个速 - 7 东南大学硕士研究生论文 率比较低的信道，用作反向控制信道。除了v 2 t 协议舰定通过频分f s k ，实现双向3 0 0 b i t s 的连接速率以外，一直到v 3 2 协议才支持全双工的双向高速数据传输。 下面简要介绍一下话带m o d e m 传输技术及协议的发展过程，见表2 - 1 。 ( 1 ) 6 0 年代是m o d e m 刚开始有较大发展的时期，在此阶段完善了2 4 0 0 b i t sm o d e m ： 1 9 6 4 年，c c i t t 在日内瓦推出了第一个在公用电话交换网( p s t n ) 中使用的双工调制 解调器协议v 2 i 。它采用f s k 调制方式，通过频分来分开上下行信道，获得对称的3 0 0 b i t s 的双向数据传输速率。 同年，c c i t t 在日内瓦制订出v 2 3 协议，仍然是采用f s k 调制方式，通信信道上数据 传输速率提高到6 0 0 1 2 0 0b i t s s ，而反向信道速率为7 5 b i t s ，一般用作控制信道。 1 9 6 8 年，c c i t t 制订了专门针对于四线租用线路情况下的v 2 6 协议。因为此种线路质 量比p s t n 中的质量要高，因此在此协议中，采用了频谱利用率更高的q p s k 调制，使得通 信信道方向数据传输速率提高到2 4 0 0 b i t s s ，而反向信道速率仍然为7 5 b i t s 。 c c i t t信息速率 年份扰码 调制均衡备注 建议 ( b p s ) 同步或异步， 1 9 6 4v 2 13 0 0 f s k g s t n 非对称双工 反向信道用作 1 9 6 4v 2 3 1 2 0 0 6 0 0f s k 差错控制 g s t n 四线，租用 1 9 6 8v 2 62 4 0 0 q p s k固定均衡 反向信道7 5 b s 同上，但可用 】9 7 2 v 2 6 h i s2 4 0 0 1 2 0 0 q p s k手动均衡 于g s 盯q 1 9 7 2v 2 7 4 8 0 0有8 相d p s k 手动均衡租用线 1 9 7 6v 2 7 h i s4 8 0 眈4 0 0 有8 相d p s k 自动均衡租用线 1 9 7 6 v 2 7 t e r4 8 0 0 2 4 0 0有8 相d p s k 自适应均衡 g s t n 1 9 7 6v - 2 99 6 0 0 有 1 6 q a m自适应均衡 租用线 1 6 q a m自适应均衡全双工，两 1 9 8 4v 3 29 6 0 0 有 3 2 t c m 回波抵消线租用，g s t n 自适应均衡全双工 1 9 9 1v 3 2 b i s1 4 4 0 0 有1 2 8 t c m 回波抵消自动速率协商 表2 - 1 ：早期传输协议发展历史 注：c c f f t 的建议里g s t n 即g e n e r a s w i t c h e d t e l e p h o n en e t w o r k ( 国内通常称为p s t n ) ( 2 ) 7 0 年代完善了4 8 0 0 和9 6 0 0 b sm o d e m ； 1 9 7 2 年，c c i t t 在日内瓦提出了应用于线路情况相对稍著的p s t n 的协议：v 2 6 b i s 。 东南大学硕士 i f 究生论文 可选的调制方式为d p s k ( 1 2 0 0 b i t s ) 和q p s k ( 2 4 0 0 b i t s ) ，反向信道仍然为7 5 b i t s 的f s k 调制。值得注意的是，首次在m o d e m 中使用了均衡器，参数固定，具体参数由各主管部门 根据线路平均情况预先确定。 同年，c c i t t 提出了针对质量较好的专用信道的v 2 7 协议。调制方式为8 p s k ，符合速 率为1 6 0 0 波特s ，因此数据传输率为4 8 0 0 b i t s 。在此协议中，有如下几个技术上的进展： a ) 在发送调制端加入了频谱成形滤波器，采用的是5 0 升余弦成形滤波器。早期的 实现技术是采用模拟的滚降滤波器，后来都采用数字滤波器实现： b ) 加入了扰码器，对经过扰码后的信息序列进行调制； c ) 均衡器参数不再是完全固定。而是可以进行人工调节，但需要发送端传输训练码型， 以便在可选参数中做出选择并，对自适应均衡器的引入也做了准备工作； d ) 引入功率分配机制，反向信道的功率要比正向信道功率低6 d b 。 在1 9 7 6 年，分别提出了针对普通租用线路的传输协议v 2 7 b i s 和针对p s t n 的传输协议 v 2 7 t e r ，正式引入了自适应均衡器。而且当信道质趣比较低时，可选数据速率为2 4 0 0 b i t s 的差分q p s k 调制，而反向信道相对于前面的协议仍没有什么变化。 自适应均衡器的引入，可l l 说是m o d e m 发展历史上的一次重要的技术突破。 自适应均衡技术( a e t ) 由于话带信道特性非理想，且离散的相位一频率特性导致接收信号严重的符号间干 扰，限制了数据速率的提高。最初的措施是采用附加频域的相位均衡，但它只能勉强适 应4 8 0 0 b s 速率。直到出现时域的自适应均衡技术( a e t ) 才将话带m o d e m 推进到了 一个新的阶段。6 0 年代开始对a e t 进行广泛而深入的研究，终于在7 0 年代完善，并 得到普遍应用，它导致信息速率由2 4 0 0 b s 提高到9 6 0 0 b s 。因为2 4 0 0 波特的正交多电 平信号经过多次音频转接，将引起严重的符号间干扰，没有完善的时域自适应均衡，是 不可能达到更高信息速率的可以说v 2 9 协议是这一技术成熟的结果。 c c i t t 于1 9 7 6 年推出了v 2 9 协议，相对于同年制定的v 2 7 b l s 和v 2 7 t e r ，此协议是应 用于优质的点对点四线租用电话型电路的，在通信信道上，当数据传输速率为9 6 0 0 b i t s 时， 采用频谱利_ j 率更高的1 6 q a m 调制，当线路质量不够好时。速率可以选择降低为7 2 0 0 b i t s 或4 8 0 0 b i t s 时，分别采用8 点q a m 和差分q p s k 调制。 ( 3 ) 8 0 年代前期完善了9 6 0 0 b s 二线全双工中期，数据传输速率达到1 4 4 0 0 b s ； 。9 东南大学硕士研究生论文 1 9 8 4 年，c c i t t 于马拉加制订出v 3 2 协议，完善了9 6 0 0 b s 的传输速率，将其应用推 广到p s t n 上，并且在此协议中表明了另一个技术的成熟：回波抵消。回波抵消技术也是 m o d e m 发展历史上的一次突破，有了回波抵消技术，就可以将双向信息的传输在同一信道 内进行，信道利用率加倍，并且更重要的是，真正实现了双向高速率的双工通信。 回波抵消技术( e c t ) 7 0 年代中后期，数据通信网发展迅速，进行高速率的二线全双工数据传输的要求 大大增加，而已有的m o d e m 只能在四线上进行全双工通信。于是，对m o d e m 提出了 适应二线全双工的要求。这一技术的难点是消除由于- -