（电路与系统专业论文）dmtadsl系统中信道缩短算法的研究.pdf

南京邮电学院硕上学位论文 摘要 d m 卜a d s l 系统中信道缩短算法的研究 摘要 a 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 i n eo rl o o p ) 称为非对称数字用户环 路，乃是当今对铜线电缆传输技术上最重大的一项改革和突破。在d m t - a d s l 系统中，若循环前缀不够长，子信道的正交性将会破坏，从而导致码间干扰( i s i ) 和信道间的干扰( i c i ) 。采用接收端的时域均衡器来缩短信道的冲激响应长度， 使其不大于循环前缀的长度，以此来消除i s i i c i 。 为了达到上述目的，很多学者提出了不同的解决算法。其中基于最小均方误 差( m m s e ) 准则算法和基于最大缩短信噪比( m s s n r ) 准则算法是解决上述 问题最有效的两类算法。本文首先介绍了离散多音调制技术，a d s l 技术及其编 码调制技术，接着详细地分析了m m s e 和m s s n r 两种算法，以及各自实现的 过程，并对m s s n r 算法进行了改进，改进后的算法不仅适用于计算任意抽头数 目的时域均衡器，使其适应的范围更加广泛，而且降低了计算复杂度。 最后本文提出了一个基于m m s e 准则信道缩短的改进算法( m m s e o p t ) ， 并给出该算法的一种迭代实现方法。通过计算机仿真结果可以看出，改进算法的 性能要优于原有算法。且推导出了该改进算法与m s s n r 算法在一定条件下是等 价的。论文最后还通过仿真比较了各种算法的性能，得到一个很好的结果。 关键词非对称数字用户环路，时域均衡，离散多音调制，信道缩短 南京邮电学院硕士学位论文摘要 r e s e a r c h0 fc h a n n e ls h o r t e nin g ta l g o rit h min d m t a d s ls y s t e m a b s t r a c t a d s li sc a l l e da s y i i l i n e t r i c a ld i g i t a ls u b s c r i b e rl i n eo rl o o p i ti sm em o s t m o m e n t o u si n n o v a t i o na n db r e a k m r o u 曲o ft h et m n s m i s s i o nt e c h n i q u eo fc o p p e r c a b l e n o w a d a y s i n d m t - a d s ls y s t e m ，i fm ec pi sn o t l o n ge n o u 曲，t l l e o 胁o g o n a l i t yo f t h es u b c h a r u l e li sl o s tw h i c hl e a d st ob o t hi n t e r - c a r r i e ri n t e r f h e n c e ( i c i ) a n di n t e 卜s y m b o li n t e r f e r e n c e ( i s i ) aw e l l - k n o w nt e c h n i q u et oo v e r c o m e 也e i c i i s ic a u s e db yt h ei n a d e q u a t ec p l e n g t hi su s eo f at i m e d o m a i ne q u a l i z e r ( t e q ) a tm er e c e i v e rf r o n t e n d t h e r ea r em a n yd i f f e r e n ta l g o r i t h m st or e s o l v et h ea b o v ep r o b l e m b u tm m s e c r i t e r i o na n dm s s n rc r i t e r i o na r et h et w oe 骶c t i v ea l g o r i t h m s t h i st h e s i si n t r o d u c e s 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 n ( d m t ) a n dt h ea 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 r l i n et e c h n o l o g y t h ep r o c e s so ft h em m s e c r i t e r i o nc h a n n e ls h o n e n i n ga l g o r i t a n dt h em s s n rc r i t e r i o nc h a n n e ls h o n e n i n g a l g o r i t h m i sa n a l y z e di nd e t a i l a l s o ，w e m o d i f yt h em s s n ra l g o r i t h ma n dm a k ei t n o to n l ys u i t a b l ef o r c a l c u l a t i n gt l l e c o e m c i e n t so ft h et i m ed o m a i ne q u a l i z e rw i t ha r b i t r a r y1 e n 舀h ，b u ta l s oh a v eam u c h l o w e rc o m p u t a t i o n a l t i m e f i n a l l yi sp r e s e n t e d a ni m p r o v e d a l g o r i t h m t h a ti sb a s e do nm em m s ec r i t e r i o n c o m p u t e rs i m u l a t i o n si n d i c a t et h a tt h ei m p m v e da l g o r i t h mh a sa b e t 七e rp e r f o n a n c e t h a n 血eo r i g i n a lo n e s a tt 1 1 es 锄et i m e ，i ti ss h o w nt l l a tt 1 1 ei m p r o v e da l g o r i 血mc a n b ec o n v e r t e di n t om s s n r a l g o r i t h m o nc e n a i nc o n d i t i o n s f i n a l l ym e p e r f b m a l l c eo f t h ea b o v em e n t i o n a l g o r i t h mi ss i m u l a t e d ，t h eb e t t e rr e s u l ta l s oa r eo b t a i n e d k e yw o r d s a d s l ，t i m e d o m a i n e q u a l i z a t i o n ，d m t c h a r m e ls h o r t e n i n g 南京邮电学院学位论文独创性声明 x 6 2 8 9 1 0 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 含为获得南京邮电学院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。 研究生签名： 一日期 南京邮电学院学位论文使用授权声明 南京邮电学院、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 致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借媚，可以公布 ( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权 南京邮电学院研究生部办理。 研究生签名；导师签名：日期： 南京邮电学院硕士学位论文第一章绪论 第一章绪论 1 1 离散多音调制( d m t ) 技术 近几年，随着通信主干网和多媒体业务的飞速发展使得主干网传输容量剧 增，用户信息量日渐膨胀。与此同时，接入网的缓慢发展导致了“瓶颈效 应”。严重阻碍了通信事业的发展i l 】。在此背景下，接入网技术成为热门研究 课题，众多接入技术也就孕育而生了。a d s l 技术是其中之一，a d s l ( 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 ) 称为非对称数字用户环路，该技术就是在 铜缆双绞线上传递高速非对称数字信号，其下行方向传递高速数字信号( 可以达 到9 m b i t s ) ，上行方向用户发送机工作在很低的频率上( 仅6 4 0 k b i “s ) 。这样可 以保证用户侧的串音比对称传输系统低很多，从而确保传输距离，该传输方式更 适于因特网业务。目前，国际上广泛采用的a d s l 调制技术有三种；正交幅度调 制o a m ，无载波幅度午目位调制c a p ，离散多音调制d m t 2 】。其中，c a p 调制 技术源于q a m ，是q a m 的一种个变种。与q a m 的区别是其采用了数字化处 理。d m t 调制是多载波调制技术之一，理论上存在接近于香农极限的性能。 d m t 调制编码规则是在每一个子信道采用q a m 调制。与q a m ，c a p 相比， d m t 在信噪比、通信速率、宽带利用率、频率兼容性、实际性能等诸方面都更 具有优势。所以它被世界上两大组织a n s i 及l t u 确认为a d s l 优先采用的线 路编码技术。 基于d m t 的a d s lm o d e m 可以看成是同时运行的许多“小m o d e m ”( 通 常为2 5 6 ) ，每个m o d e m 带宽约4 k h z 。d t m 使用载波将信道分为若干等宽的子 信道。每个子信道独立进行正交幅度调制( q a m ) 。每个子信道所实际分配的比 特数取决于线路情况，甚至有些子信道可以不予分配。例如，一个a m 无线广播 可能导致特殊子信道上的无线频率干扰，从而导致该子信道不被使用。q a m 星 座图的点数，取决于调制的比特数。比特数越大，星座图点阵越密集，要求信噪 比越高。反之，则调制比特数小，星座图点阵稀疏，可允许信噪比越小。 当调制速率与取样频率满足一定关系时，个子信道的q a m 调制可通过 南京邮电学院硕士学位论文第一章绪论 2 点的快速傅氏反变换( i f f t ) 一次完成。i f f t 变换的输入是各子信道调制t e 特组所对应的星座点的坐标值( 个复数) 及其共轭偶对称值( 个复数) ，变 换输出是调制后信道波形的2 个取样值( 实数) 。用i f f t 实现全部子信道的 q a m 调制，大大简化了硬件电路的复杂度。 d m t 作为a d s l 的线路码技术有以下几个优点： 受损线路的鲁棒性。在初始化过程中，d m t 监视线路情况并根据子信道 的信噪比( s n r ) 计算其比特承载能力。如果子信道正遭受外部干扰，如 无线频率干扰( r f i ) 和串扰，它很有可能被废弃不用。 速率自适应。d m t 能够动态地使数据速率适应线路情况。每个子信道依 照其信噪比( s n r ) 情况承载一定比特数。通过调整每个信道的比特数， d m t 达到自动调节数据速率的目的。 性能。d m t 增强了m o d e m 的性能。因为独立的子信道可以根据线路条件 分别进行调节。d m t 为每个子信道分别测量信噪比( s n r ) ，并相应地分 配子信道的比特数。一般来说，由于在低频带比高频带衰减小，所以低频 带难承载更多的比特数。 1 2 本文的研究背景 近几年来，多载波调制技术( m c m ) ，如正交频分复用( o f d m ) 【3 1 和离散多 音频调制( d m t ) 越来越受到人们的关注。离散多音频调制是多载波调制的一个 子类，在许多数据传输( 如数字电视的地面传输、移动通信以及铜双绞线上的高比 特率数字信息传输等) 领域具有广阔的应用前景。 在d m t 调制中，为保证每个子信道之间的相互独立性，消除码间干扰( i s i ) 和信道间的干扰( i c i ) ，每个长度为的符号块在送入信道进行传输之前，首先要 加入长度为v 的循环前缀( c p ) ，在接收端先将c p 去掉，然后将信号变换到频域 进行解调。c p 的长度等于有效信道( 包括发送滤波器，接收滤波器和物理传输信 道的等效信道) 的记忆长度，由于c p 不携带任何信息，c p 的加入使的信道的传 输速率下降了一个比例因子v + v 。当信道的记忆长度较长( 在a d s l 系统中， 信道的记忆长度通常达到一百多个抽样时间间隔) 且不能采用很长的数据块长度 ( 受系统的复杂度和时延所限) 时，系统的传输速率就会下降很多。为了提高 南京邮电学院硕士学位论文第一章绪论 系统的传输速率，通常在接收端加入线性均衡器，减小信道的记忆长度，从而降低 c p 的长度，以提高系统的传输速率。而且在d m t _ a d s l 中，如果循环前缀不足够 长，子信道的正交性就被破坏，从而导致码间干扰和信道间的干扰( i c i ) 。通过 接收端的时域均衡器来缩短信道的记忆长度，使得不大于循环前缀的长度来消除 i s i i c l 通过接收端的时域均衡器( t e q ) 来缩短信道的记忆长度，使得不大于循环 前缀的长度，从而来消除i s i i c i 。以前的文献对t e q 进行了广泛而深入的研究。 文献 4 中，c h o w 和c i o f f i 提出了基于最小均方误差的( m m s e ) 信道缩短算法。 近年来，在文献【5 中m e l s a ，y o u i l c e 和r o l r s 提出了最大缩短信噪比( m s s n r ) 的 信道缩短算法，基于最大缩短s n r 准则算法的目标是找到一个均衡器来最小化目 标窗口外的能量，而窗内能量保持不变。 m m s e 算法【6 】能够通过自适应来实现( 用训练序列) ，但是它具有收敛速度非 常慢的缺点。c h o w 的算法【7 1 的收敛速度快，但是明显收敛到次最优点。l a s h k 甜i a n 和k i a e i 嘲通过迭代的方法来实现a 1 d h a h i r 的算法【9 从而来最大化传输的比特速 率。但是正如文献 1 0 所论述，该迭代方法是建立在几个不正确的假设下，并不能 达到真正的最优。而且方法【8 】不是真正的自适应的，因为该方法是依靠已经知道 了信道的特征，所以不能适应于时变信道。文献 1 1 讨论了自适应信道缩短，但是 只关注信道缩短性能，并没有给出明确的自适应算法。所以迫切需要能找到一种能 降低计算复杂度，而且具有良好的性能的信道缩短算法。本文首先提出了一个基于 m m s e 信道缩短的改进算法，然后对该算法的代价函数进行进一步的修正，找到 了一种迭代实现方法，降低其计算复杂度。也希望在今后的研究中，提出一个新的 代价函数，能找到一种好的盲自适应信道缩短算法，使得更容易在d s p 芯片上实 现。 1 3 本文的安排 本论文的内容安排如下： 论文的第一章主要是介绍了d m t 调制技术的发展，以及在a d s l 系统中的应 用，d m t 作为a d s l 的线路码技术的三个优点。然后介绍了本文的研究背景。 论文的第二章叙述了离散多音调制技术。对多载波调制原理，d m t 调制技术 南京邮电学院硕士学位论文第一章绪论 的实现以及码间干扰的消除作了分析。 论文第三章主要介绍了a d s l 技术概要和编码技术。本章介绍了a d s l 的基 本原理、a d s l 编码调制技术，测试环路、以及基于d m t 调制的a d s l 系统等方 面的内容。 论文的第四章主要对d m t - a d s l 系统信道缩短算法进行了分析。着重分析了 基于最小均方误差( m m s e ) 准则算法和基于最大缩短信噪比( m s s n r ) 准则算 法两种信道缩短算法，并对m s s n r 算法进行了改进。 论文的第五章提出了一个基于m m s e 准则的信道缩短算法( m m s e o p t ) 并 且在理论上提出了m m s e 。o p t 与m s s n r 算法等价的条件。并进行了大量的计算 机仿真分析。 论文的第六章对各种算法进行了计算机仿真与分析，得到了一个满意的结 论。 论文的第七章为全文总结以及对今后这方面研究的展望。 4 南京邮电学院硕士学位论文第二章离散多音调制技术( d m t ) 第二章离散多音调制技术( d m t ) 2 1通信系统容量分析 通信是指信息从信源向信宿传递的过程，而通信系统则是指完成这一过程的 全部通信设备和传输媒介。通信必须依靠特定的物理信道来完成最基本的传输功 能，而实际信道的非理想特性会导致系统的传输性能的下降，在加之系统中存在 各种不可避免的噪声，使得通信系统的传输不可能以任意速率进行。因此通信系 统的主要目标就是对系统的所有部分进行优化，克服信道中的缺陷和干扰，尽可 能提高系统的有效性和可靠性。 根据s h a l l l l o n 信息论，对与连续信道，如果信道带宽为b ，并且信道引入的 只是加性白高斯噪声的干扰，则信道能够达到的最大信息传输速率，即信道容量 c = b ，0 9 2 ( 1 + s r ) 6 f f 5( 2 1 ) s h a n n o n 信息论指出，如果信息速率为月，切r c ，则理论上存在一种方法使得 信源输出能以任意小的差错概率通过信道传输。如果r c ，则无差错传输是不可 能实现的。s h a l l l l o n 最大的贡献在于指出了物理信道传输能力的极限，但是他并没 有给出达到这一极限的编码方法。几十年以来，人们一直从信源编码与信道编码 和调制几方面进行艰苦的探索，不断去逼近s h a l l l l o n 限。而信道编码正好相反， 它旨在增加信息冗余。 早期计算表明，频谱效率较高的狭义q a m ( 两路正交p a m ) 调制体系的传 输能力与信道容量存在9 d b 左右的差距，因而填补这9 d b 的空白就成为人们苦苦 追求的目标。 1 9 8 2 年，u n g e r b o e c k 提出了格状编码调制t c m ( r i r e l l i sc o d e d m o d u l a t i o n ) 方案。他突破了传统的编码与调制相互独立的模式，将二者统起来，在不增加 系统带宽的前提下，可以获得3 6 d b 的渐进编码增益。该方案使用普通的二进制 k ，k + 1 卷积编码器，采用比实际星座大一倍信号星座，然而，通过“子集划分映射” 方法，将编码器对信息比特的编码转化为信号点的编码，使得在信道中传输的信 号点序列遵从一定的规则。由于格状图中所有可能的路径之间存在着距离，因此 南京邮电学院硕士学位论文第二章离散多音调制技术( d m t ) 接收机就可以从所有可能路径中找到一条与接收机信号序列之间距离最近的路径 作为正确路径，从而完成信号检测。虽然星座扩大使得相邻信号点之间的欧氏距 离下降，但经过恰当的设计，所有路径之间的最小距离甚至会超过星座扩大前的 邻近信号点的距离，从而获得编码增益。f o m e y 用群和群划分的代数框架描述这 种编码，并把编码调制归结为陪集码。 u n 2 e r b o e c k 的研究成果吸引了众多学者对t c m 技术进行深人的研究。为了 进一步获得编码增益，又引入了多维星座、星座优化、成形等技术。这些技术都 是针对无记忆信道展开的，然而实际中所碰到的几乎全是有记忆信道，存在着码 间干扰( i s i ) 。为了抵抗信道i s i 和噪声，传统方法是先将信道均衡成基本平坦的 在应用编码、成形等技术。在单载波下进行均衡的一种典型结构是最小均方误差 判决反馈均衡器( m m s e d f e ) 。这中均衡器可以使得噪声和i s i 最小，且有着较 为完善的自适应算法，因此在实际中广泛采用。等已经证明，通过使用无限长度 的m m s e d f e 均衡器及编码、成形等技术可以达到带限信道的容量。但是，这种 优化计算相当复杂，而且实际系统中也不可能采用无限长度的均衡器。近年来流 行的另一种方法是采用多载波调制，与单载波调制相比，它具有很多不可比拟的 优点，我们在2 3 节进行介绍。 2 2 信噪比间距 实际通信系统的传输速率与信道容量之间总是存在着差距，为了很好地描述 系统的传输能力，我们引入信噪比间距( s n r g a d ) 的概念。 信噪比间距用来表征某一特定通信系统的传输性能与信道容量的接近程度， 它是描述系统性能的一个参数。我们用r ( p r ( e ) ，c ，) 来表示信噪比间距，它与 系统所采用的编码方案c 、目标误比特率p r ( e ) 以预期的系统噪声冗余。有关。 噪声冗余是指在某一预期的误比特率限制下，可以允许噪声功率在原来系统噪声 之外在增加的量，用d b 表示。下面我们将具体推导信噪比间距。 假设信道为无记忆信道，即不存在符号间干扰，噪声为加性白高斯噪声 a w g n ，信道的功率增益为l h l 2 。首先讨论未加任何编码，且。为。的q a m 系统。 6 南京邮电学院硕士学位论文第二章离散多音调制技术( d m t ) 设q a m 信号信座中信号点之间的最小距离为氏。，各信号被传送的概率相 同，则对于每符号传送6 比特的q a m 调制系统( 信座中信号点数为2 6 ) ，信号的 平均输入功率为 鼠：掣 o 若白噪声的方差为仃2 ，则接收端的输出信噪比为 s ：挚 根据数字通信理论，当信噪比较高时，接收端的符号差错概率为 q 锣 其中，q 函数定义为q ( x ) = 了杀f e 一譬幽 ( 2 - 2 ) ( 2 3 ) ( 2 4 ) ( 2 5 ) 札表示信号信座中距离最近的相邻信号点的个数。在q a m 系统中，札4 。 假定系统的目标误比特率e ( e ) ze ，定义信噪比间距为 r ：鱼哩：匣! 墨! 必( 2 。) 6 盯23 则由式( 2 3 ) ，( 2 4 ) 和( 2 6 ) 可以得到每二维符号所传送的比特速率为 6 _ 1 0 9 2 ( 1 + 单) ( 2 - 7 ) 我们知道s h a n n o n 信道容量 c = l 0 9 2 ( 1 + 彤限。) ( 2 8 ) 比较式( 2 7 ) ，( 2 8 ) 的差别，我们会发现信噪比间距r 准确地描述了系统实际获 得的传输速率与信道容量之间的差距。 对于不编码且。= o 的q a m 调制系统，当p ( e ) = 1 0 。时，可以求得信噪 比间距r ：堕! 尘必9 8 d b 。 将式( 2 6 ) 进行推广，对于噪声冗余和编码增益不为0 的系统，信噪比间距 7 南京邮电学院硕：学位论文第二章离散多音调制技术( d m t ) 可以表示为 r = q _ 1 ( c 札) 2 + 以哪一场“7 7 ( 2 9 ) 从以上的分析可以看出，信噪比间距r 反映了系统的传输能力，对于一个输 入功率为p 的实际系统，它的实际传输速率与一个输入功率为p r 的相同信道的 信道容量相同。 2 3 多载波调制技术( m c m ) 技术 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 r l ) 是一种适用于带限信道传输的调制 技术，能最大限度提高信道容量，有效克服脉冲干扰和窄带干扰，很好地抗多径延 迟和衰落性能，因而得到了人们广泛的关注与应用。在很多重要技术中，如高速信 息公路的用户接入、i n t e m e t 网用户接入、无线接入、多用户c d m a 检测等扮演着 重要角色。它的思想可以源于五、六十年代【l2 】当时人们提出了在相互间隔一个码元 速率的多个载波上进行并行的交错o a m 调制来传输信号，但由于受条件限制，产 生独立、稳定的并行多路载波，并在接收端很好地恢复它比较困难，使得该技术一 度难以实用。随着通信技术和数字信号处理技术的发展，采用f f t 使实现m c m 成 为可能，m c m 技术才又重新被人们所重视，并得到广泛的应用。 2 3 1 多载波调制技术( m c m ) 的原理 载波调制的基本原理是把输入信息转换成多路并行信号，对相互完全正交的 组载波进行调制。由于各载波之间的相互正交性，完全消除了彼此之间的串扰，同时 可以在接收端利用相同的正交载波组来恢复原始信号。个相互正交的载波构成的 m c m 系统如图2 1 所示。 南京邮电学院硕士学位论文第二章离散多音调制技术( d m t ) t 三丑一 酬2 1m c m 的腺理 图2 1 中 s ? ，s ? ，5 y 。1 ) 是对应于发送数据帧f 的并行符号，而 j ? ，j ? ，j ，。) 是 接收端检测判决后的符号。工，z ，厶一。是个相互正交的载波频率，该个相 互正交的载波相当于个并行的子信道。很容易理解并行调制实质上是对输入信号进 行某种合适的正交变换。因此很多正交变换都可以用于m c m 系统中。利用f f t 实现 m c m 是最常用的一种形式，如图2 2 所示。 图2 2m c m 的一种具体实现 r 图2 2 中若取5 7 = ( s 。) ，t ( o ，1 ，一l ，为偶数，容易推导出该系 z 统等价于2 路的并行q a m 调制系统。在实际通信系统中，由于信道的畸变和噪声 的存在，各子载波间的正交性常遭到破坏，因此实际上m c m 系统中存在着由于非严 格正交产生的子信道之间的干扰( i c i ) ：又由于每一子信道本身的畸变产生前后符号之 间的干扰( i s i ) ，因此在m c m 设计中，必须克服这些干扰，才能达到系统的最优性能。 9 一。 弘。 印 南京邮电学院硕士学位论文第二章离散多音调制技术( d m t ) 2 3 2 多载波调制技术的优缺点 目前m c m 技术良好的性能使得它在很多领域得到了广泛的应用。总的看来， m c m 技术有三个优点1 1 3 】： a 可以有效地对抗信号波形间的干扰，适用于多径环境和衰落信道中的高速 数据传输。当信道中因为多径传输而出现频率选择性衰落时，只有落在频带凹陷 处的子载波以及其携带的信息受影响，其他的子载波未受损害，因此系统总的误 码率性能要好得多。 b 各子载波的联合编码具有很强的抗衰落能力，m c m 技术本身已经利用了 信道的频率分集。 c 具有抗脉冲噪声及窄带噪声特性。由于m c m 系统把串行的码元变成并行 的码元，在并行信道上调制传输，与单载波系统相比，在相同的传输速率的情况 下，m c m 系统中子信道上的码元时宽比单载波系统要宽得多。因此短时脉冲噪声 对其码元的影响也相对要小得多。而且脉冲噪声的功率分布到每个子信道上后有 所减弱，也减少了对该子信道上的干扰。窄带噪声对m c m 系统可能直接会影响 它的一个或几个子信道，通过初始的训练测试和反馈信道，我们可以找出这些受 干扰的子信道，从而在这些信道上传输较低速率的信号或不用这些信道。这样 m c m 系统就完全克服了窄带噪声的影响。因此m c m 系统能较好地抗脉冲噪声和 窄带噪声的干扰。 m c m 技术存在两个缺陷： a 多载波通信系统对符号定时和载波频率偏差比单载波系统敏感。 b 多载波信号是多个单载波信号的迭加，因此其峰值与平均功率的比值大于 单载波系统，它对前端放大器的线性要求较高。 2 4 离散多音调制( d m t ) 技术 离散多音调制( d m t ) 也称多载波调制。是采用频分复用方法将传输信道分 成若干子信道，每个子信道都有自己独立的载波，根据子信道的性能，采用优化 方法将传送信号的能量和比特分配到各子信道上，能够使可靠传输的数据速率最 大化。由于其性能优良，早在6 0 年代就已开始应用在数据传输的调制器中，7 0 l o 南京邮电学院硕士学位论文第二章离散多音调制技术( d m t ) 年代又将离散傅里叶变换用于离散多载波调制。直到近年，出现了高性能价格比 的数字信号处理器，才使多载波调制技术大量实用化。由于可以用i f f t f f t 快速 地运算i d f l m f t ，因此，离散多音调制( d m d 比其它多载波技术更有计算方面的 优越性，适用于高速率数字用户线1 4 1 。 2 4 1 离散多音调制的基本原理 离散多音类似于频分复用技术【1 5 】，其基本原理如图2 3 所示。数据率为以( b s ) 的输入数据流经缓冲器被分为数据率为正的个子数据流，各子数据流以大小不 同的比特数n 。，”：，n 。分别去调制个频率上间隔v 的子信道 一， ，厶，且有q = r ，z 爿矽( f = 1 ，2 ，) 。 归l n l f 。 一 串并变换 调 缓冲器 制 2器 l 五 l： 图2 3d m t 调制基本原理 各子信道分配的比特数由以f 为中心频率的该子信道的信噪比来决定，d m t 的 核心表现为，保证一定误码率只及一定输入信号能量的情况下，根据实际信道特性动 态地分配各子信道的能量及比特数【1 4 】，使传输数据率最达到最大。与传统的频分复用 不同，d m t 为提高频带利用率，使各载波上的信号频谱互相重叠，但载波间隔的选择 要使这些载波在整个符号周期上是正交的，即任何两个载波的乘积在符号周期上的积 分等于零。这样，即使各载波上的信号频谱间存在重叠，也能无失真地恢复。理论上， 当载波间最小间隔等于符号周期倒数的整数倍时，可满足正交条件。为实现最大频谱 效率，一般取载波最小间隔等于符号周期的倒数。 假设每个子信道都采用q a m 调制，则第f 个子信道的调制信号为 南京邮电学院硕士学位论文第二章离散多音调制技术( d m t ) t ( f ) = 5 ( ，一，2 巧) c o s 2 月办+ “s o n 正) s i n 2 ，r 力 ( 2 1 0 ) 式中，z = l 厂，z = f 厂是第f 个调制信号的载波频率；j ( f ) 是满足n y q u i s t 不失真准 则的信号波形；d 。，6 。取决于q a m 星座图中信号点的位置。传输信号则是个子信 道中各自的q a m 调制信号之和：x ( r ) 总的传输数据率可表示为 薯( f ) 。 _ l r ：羔吾：羔啊厶厂 忙l ，l ；1 ( 2 1 1 ) 在采用d m t 调制技术的系统中，载波的数量与传输频带内划分的子信道数目相等， 当信道变化剧烈时，子信道数目越多，系统的性能越好，因而在实际应用中不可能象 传统的f d m 处理方法那样，使用几百个至几千个振荡器和锁相环进行调制解调。 w e i n s t e i n 提出了一种用离散傅里叶变换( d f t ) 实现d m t 的方法f 1 6 】。 当传输的数据流为或，吐，如+ 吐= 口，+ j 6 i ，其中z 为复数。对矢量 d 。) 羔：1 进行离散傅里叶变换，其结果也为一矢量s = ( 5 。，s ，s 。) ，其中 一1 一l = 2 以p 叫2 = 2 一p 哪 。”= o ，1 ，一1 ) ( 2 1 2 ) 月；0n = o 式中五= 疗( ，) ，f 。= 出。为一复数，取其实部为 一】 匕= r e ( s 。) = 2 吼c o s 2 丌f 。+ 吒s i n 2 7 r z ) = o ，1 ，一1 ) ( 2 1 3 ) n = 0 序列k ，巧，。经过低通滤波后，则得到多载波的调制信号 1 ) ，( f ) = 2 ( “c o s 2 丌z f + 吒s i n 2 7 r 工f ) ( o f 兰r ) n = o ( 2 1 4 ) 载频之间的间隔为厂= 1 ( f ) = 1 丁，其中f 为符号序列( 乩，d i ，d 。) 的时间 间隔，显然，r = 出。由于只有傅氏变换的实部经信道传至接收端，在接收端，对其以 出2 采样，在没有信道干扰情况下，有 南京邮电学院硕士学位论文第二章离散多音调制技术( d m t ) k 2 ：j ：等 = 2 篓 “c 。s 2 玎2 皇+ 。”s i n 2 万z 等 2 。：。， z 卦c o s 等邯i n 等 舻叫z ， “7 对序列k 进行离散傅氏变换后，得 铲击叫k 牌鹧篱：， 眨 当f v 一1 的值时与传送的值无关。可见除了f - o ，z ，正确地恢复了要传送的 口，6 ，f _ 1 ，一l 。因此，d m t 系统可以这样实现：在发端，先由 2 以) 的d f t 求 得奴) ，取其实部经过一低通滤波器后即得所需的d m t 传输信号y ( f ) ；在收端，对_ y ( r ) 采样得到 y 。) ：等1 再对( 乓 求d f t 可得到发送的 d 。) 序列，因此，在实际应用中， d m t 系统的核心只是一离散傅氏变换，当= 2 ”( m 为正整数) ，可应用快速算法，实 现极其简单。 2 4 2 码间干扰的消除 由于传输信道不是严格平坦的奈奎斯特信道，存在码间干扰( i s i ) 。常用的方 法是在接收端加入信道均衡器，经过实验，在高速数字用户线上仅用均衡器来完 全消除i s i ，组成的均衡器的横截滤波器抽头数太多，不仅时延长，计算量也太大。 因此，我们选用一个较短的时域均衡器，可缩短信道脉冲响应长度，即信道记忆 时长。在传送信号的每个字符块前加入循环前缀( c p ) ，当加入c p 后，信号的最 后v 抽样值等于信号前v 抽样值，即 x ( f _ j + f ) = x ( f t + f + ) ，f l ，2 ，3 ，v ) 其中m = + v 是总的信号间隔。举例说明，当= 8 ，v = 2 ，所以m = + v = 1 0 ， 当七= 0 时，如图2 4 所示 南京邮电学院硕士学位论文第一二章离散多音调制技术( d m t ) 一l0l234567891 01 11 21 31 4 - f 。 l r ( 2 ) = z ( 2 ) ( o ) + x ( 1 ) 而( 1 ) + x ( o ) ( 2 ) + x ( 一1 ) ( 3 ) + x ( 一2 ) ( 4 )i = x ( 1 0 ) ( o ) + x ( 9 ) ( 1 ) + 【x ( o ) ( 2 ) + x ( 一1 ) ( 3 ) + x ( 一2 ) 厅( 4 ) 】l ，( 1 0 ) = x ( 1 0 ) ( o ) + x ( 9 ) ( 1 ) + 【x ( 8 ) ( 2 ) + x ( 7 ) ( 3 ) + x ( 6 ) ( 4 ) 】1 图2 4当= 8 ，v = 2 时的c p 和信号序列 从上图看出，如果我们迫使h ( 2 ) ， ( 3 ) ， ( 4 ) 都是为零，则，( 2 ) = r ( 1 0 ) 。所 以只有当信道缩短到循环前缀长度内，即 ( 2 ) = ( 3 ) = ( 4 ) = o ，才能使得 r ( 2 ) = r ( 1o ) 。所以添加循环前缀主要目的是为了去除d m t 调制的码间干扰，但 是当信道的冲激响应长度小于或等于循环前缀时，才可以完全消除码间干扰。 1 加循环前缀 假设经i f f t 后的信号值是为x 。，是周期为的周期信号的主值。这样的信 号经过信道，与信道脉冲响应是圆周卷积的关系。而实际传输时，都进行了线性 卷积，如何用线性卷积去实现所要求的圆周卷积昵? 理论上，需要将有限长序列 周期延拓，进行线性卷积，再将结果取主值。事实上，只需在x ( o ) 前面加上v 一1 个 值： x ( 一v + 1 ) ，x ( 一1 ) ，也就是加循环前缀，使传入信道的符号块中有 + v 一1 个信号样值，这样经过信道线性卷积后的后个值正好与圆周卷积结果 吻合。所以实现系统时应在i f f t 之后加入v 1 个循环前缀，再送入信道。接收端 在f f t 解调之前应丢掉每个字符块的前v 一1 个值。由于循环前缀的加入，数据速 率将按照因子v v + 降低，因此v 应取得较小，一般v 。但实际的信道脉冲 响应长度可能还要长，则应在接收器中加入均衡器，以缩短信道脉冲响应长度， 减小循环前缀长度，使系统传输效率不会有大的下降。 2 信道均衡器 1 4 如图2 5 所示，设信道的冲激响应为a ( 哟，n = o ，1 ，；加入时域均衡器 w ( h ) ，n = o ，l ，三：得均衡后的信道冲激响应为 6 ( ) = ( ) 4 氓珂) = 以啪( 野一f ) ( 2 1 7 ) 。磁视椎滔一5 _ c 兕) 图2 5均衡信道框图 w ( ) 的抽头系数决定了时域均衡的效果。衡量均衡效果的标准有峰值误差d 和均 方误差p 2 两种。 d = = l 主m 1 6 ( n ) r “ 如i 七郭( 酬2 ) p “ ( 2 1 8 ) ( 2 ，1 9 ) 6 ( 一) 1 2 具有能量的量纲，以后简称为s i r 冲激响应的能量。因此，式( 2 1 9 ) 实际上 就是6 ( 以) 第v + l 抽样值及以后的所有样值的能量之和与6 ( 月) 前v + 1 抽样值能量之 和的比值a 可以形象地想象为，对6 ( h ) 前面的样值加一个宽度为v + l 抽样值的窗 口( 如图2 6 ) ，均方误差就是窗外能量与窗内能量的比值，并称取前，+ 1 抽样值的 运算为加窗。 南京邮电学院硕士学位论文第二章离散多音调制技术( d m t ) 图2 6 6 ( 月) 加窗示意图 2 4 3 离散多音调制的比特速率计算 高斯白噪声传输信道的比特速率为 驴拉”争吲s ( 2 1 2 0 ) 其中，6 g 为比特速率，只为传输信号的功率，只为噪声功率。定义信噪比( 鼢，r ) p 即田限= 詈，实际的编码，调制方法不能达到式( 2 2 0 ) 的计算速率。信噪比问距用r 月 表示。信噪比间距是调制方法和目标比特误码率的函数。对于编码正交幅度调 制q a m ，r 为 r = 9 8 + 一心( d b )( 2 2 1 ) 其中，为，系统噪声冗余。以为编码增益。在g d m t a d s l ，他们的值为，只= 只= 1 0 ，= 6 d b ，儿= 4 2 d b 。所以r = 9 8 + 一以= 9 8 + 6 4 2 = 1 1 6 d b 。 一个d m t 系统有2 个子信道，其中为i f f t 的大小。当很大时，各子信 道在高斯白噪声下可以认为是相互独立的”】。第个子信道的每帧数据比特速率 为 纠0 9 2 ( 1 + 晋) ( 2 2 2 ) 在d m t 中，信号是在复平面上调制，所以每个子信道有不同的r ；。假定每个子 南京邮电学院硕士学位论文第二章离散多音调制技术( d m t ) 信道的误码率是相同的。可以设定对于所有的，l 相同的，即l = r 。 在2 个子信道的d m t 调制系统中，并不是全部用来传输数据的。如在 a d s l 中，子信道0 5 是用来语音服务的和i s d n 的兼容性的，而子信道6 4 是用 于导频的，该导频用于系统的同步【1 9 】。相应地我们定义要研究的子信道集合为 i ，即 i o ，l ，2 1 对于满足目标比特误码率的每个d m t 帧的比特数可以表示 6 。( i ) ：l 。g ：( 1 + 鱼粤) ( 2 2 3 ) 所以在给定的信号功率，比特误码率以及噪声功率下，每个d m t 子信道的只能支 持确定的比特数。d m t 帧总的传送比特数是在每个子信道传送的比特的总和。 公式( 2 2 3 ) 得到的比特数也许不是整数，但是在g d m ta d s l 和v d s l d m t 标准中要求在子信道上装载整数比特数。只有在星座图的维数超过2 时，装载比 特数才允许是非整数，这种情况下是在格栅编码才出现的。所以在g d m t 系统 中每帧的比特数为 蝴i ) - 善lk 9 2 ( 半) ( 2 z 。) i 乍il 1 j 式中【】表示取整运算。式( 2 2 3 ) 的是对应田旧。的单调递增函数，而式( 2 2 4 ) 并不是 对应肼慨的单调递增函数。因为卧吨可以表示为是时域均衡器( t e q ) 抽头系 数的函数，设计一个好的域均衡器( t e q ) 抽头系数可以提高系统的传输速率。 所以式( 2 2 4 ) 作为t e q 滤波器系数的函数模型，设计最有效的优化方法来d m t 使 得系统传输速率最大。 南京邮电学院硕士学位论文第三章a d s l 系统技术概要与编码调制技术 第三章a d s l 系统技术概要与编码调制技术 在9 0 年代初，传统的固定电信运营商开始着手研究基于x d s l 的数据接入技 术，并于9 0 年代中期相继推出了a d s l 、h d s l 等相关的高速数据接入产品。a d s l 接入技术得到了国际电联的高度重