VDSL应用中QAM和DMT技术的选择

在研究VDSL调制技术过程中,众多运营商对选取QAM还是DMT存在很大分歧。根据技术分析,采用QAM调制技术在系统功耗、抗噪声性能和互操作性等方面具有更优的性能,因而QAM技术是VDSL应用的最佳选择,本文将对两种方案的性能进行对比分析。

高速数字用户线(VDSL)技术能在1500米距离内达到26Mbps的对称数据率,在更短距离和非对称应用中可以实现更高的数据率。其高速率特点可以为住宅用户和企业客户提供高速网络连接和汇集业务。

在实现基于VDSL的连接之前,必须作出以下两项选择。首先,必须在以太网传输模式和异步传输(ATM)模式之间做出选择；其次,还必须确定VDSL采用正交幅度调制(QAM)还是离散多音(DMT)技术。由于协议的选择更多地取决于应用需求,因此并不能简单地作出选择,像区域频谱的兼容性、噪声容限、成本、互操作性和相对功耗这样的因素都必须加以考虑。

尽管现有的非对称DSL(ADSL)采用了DMT技术,但由于VDSL模型完全不同,因而DMT也不能简单地无缝移植到VDSL应用中。为了在QAM和DMT之间作出明智选择,设计工程师必须充分了解两者之间的特点和差异。

VDSL技术

图1中,VDSL在光纤到路边或光纤到大楼应用中作为一种光纤延伸技术,在速率极高的骨干网与用户端设备和/或集成接入设备之间起到了桥梁连接作用。此外,随着在VDSL上提供以太网应用成为可能,电信运营商在实现全互联网协议架构的同时,还能在商用LAN或整个校园网同10/40Gb以太广域网之间实现互联。

自QAM VDSL技术推出以来,在大部分新安装的系统和网络中,设备和业务提供商都可以自由地选择传输协议。在各种协议中以太网是最常用的一种,能为终端用户提供低成本的互联并实现简单、鲁棒的即插即用VDSL解决方案。就每条链接而言,基于VDSL上的以太网的实现成本与基于ADSL上的ATM相当,这使得该技术在新的应用中引起了广泛关注。此外,当VDSL作为现有的基于DSLAM的系统升级进行配置时,设备提供商和运营商将会认为ATM传输中较高的单链路成本是可以接受的。因此,传输协议的选择取决于应用需求,而非技术本身。

正如在ETSI TS 10127002、ANSI T1.424和ITU G.993.1中所定义的一样,VDSL标准定义了两种可行的调制技术:单载波调制(QAM)和多载波调制(DMT)。QAM线编码采用如图2所示的4频段分割结构。出于对业务灵活性的考虑,标准制订组织规定了频段分配计划。虽然各个国家业务需求不尽相同,但在每个地区,频谱兼容性和频带规划一致性必须合理有序,以满足业务需要。

DMT将整个信道或频带分成带宽为4.3125kHz的子信道,并使每个子信道承载总载荷的一部分。DMT采用快速傅立叶变换(FFT)对数据进行调制,在全速率VDSL实现中可得到高达4,096个子载波,在大量的传输中子信道将并行处理。目前在所有的VDSL解决方案中都采用了QAM技术,在全球配置的端口数目已经超过两百万,支持4频段标准的第三代和第四代QAM-VDSL芯片组目前也已面世。

QAM VDSL四年的推广应用充分体现了该技术的优越性能,以及在功耗和带宽利用上的优良性能。

QAM和DMT技术比较

QAM和DMT不仅在4频段方案的实现上存在差异,而且在对其它关键性能的处理上也有所不同。QAM调制技术专注于VDSL信号的时域处理,考虑了线路上信号的串行和模拟特性,并对系统中的数字和模拟信号进行优化。在采取措施解决POTS铜线所固有的噪声和衰减之前,在线路的每一端的DMT频域处理需要进行时域-频域(IFFT/FFT)和串并数据流变换。如前所述, 基于VDSL的以太网的链接成本与 基于ADSL的ATM相当,因此,这样的成本对于各种系统实现都具有一定的吸引力。

显然,QAM和DMT都各具优缺点,选择何种方案取决于对现实条件以及特定应用和设备环境中实际问题的分析。因此,必须对以下6个影响性能的主要因素进行折衷考虑,包括突发噪声、外部噪声干扰、即插即用功能、功耗、带宽利用率以及互操作性。

a. 噪声问题

噪声问题对任何xDSL技术都会产生影响。由于噪声可能在一段时间内覆盖有效信号,因此调制技术对突发噪声的处理极为重要。QAM和DMT均采用了数据交织器和RS纠错技术相结合的方案。与DMT交织器相比,QAM交织器在传输路径上引入的延迟较小(略低于10毫秒),占用的存储器也较少。

基于DMT的系统存在的主要问题是,持续时间为数十微秒的脉冲噪声将使接收器中所有正被使用的子信道出现错误,并完全清除FFT字符,DMT系统必须能在整个FFT字符长度(而不仅仅是网络中的脉冲长度)内防止噪声的影响。VDSL标准规定噪声保护的时间长度为500μs。在图3中,250μs的DMT字符要求噪声保护必须为3个DMT字符(即750μs),以满足标准的要求。

这无疑将引入约10ms的额外延时和额外的交织器存储空间。因此,即使很短的突发噪声也可能清除一个DMT帧中的所有信息。但在QAM调制解调器中,这些突发噪声的影响则很小,因为QAM字符的持续时间较短,通常低于1μs。噪声敏感度以及更关键的噪声阻抗将决定芯片解决方案或接入系统的性能,这是所有铜线xDSL技术共同存在的问题,并将随频率的增加而更为明显。

VDSL采用了高达12MHz的频率,因而其噪声问题更突出。就其本身的特性而言,DMT信号具有比QAM信号更高的峰值,因此通常至少需要13位模数转换,而QAM信号则只需要10或11位。这样,模数转换器需要截断信号的峰值部分,这样将在接收端产生错误,因此接收器必须采用RS算法检验并校正这些错误。由于RS代码实现纠错的能力有限,因此DMT信号在校正由传输侧产生的错误时将占用大量资源,这使得RS码校正噪声错误的裕量很小。相反,采用QAM技术不存在这种问题,通过采用均衡处理,对于传输链路外部可能引入的噪声具有较强的抗干扰性能。

当前信号处理技术和硅技术的快速发展有助于开发出具有较强鲁棒性的均衡器,使QAM-VDSL调制解调器能工作于更苛刻的条件下,包括桥接抽头以及来自同一电缆束中其它ADSL系统的自串扰干扰。

早在五年前当DMT成为ADSL标准调制技术时,支持者就已经显示该技术需要较少的MIPS(每秒百万条指令)处理能力即可实现类似的均衡处理。但是,随着半导体技术的发展,MIPS预算不再受限,采用QAM技术需要更多的处理能力的问题不再存在。QAM技术采用隐含均衡(blind equalization)处理,这意味着无需训练信号序列或握手信号。因此,基于QAM的系统大约需要100ms启动操作。相反,DMT必须在线路上发送训练序列,接收器根据接收的序列自行调整,然后返回信息至发送器并在所有的子信道中发布。因此,基于DMT的系统可能需要数秒时间才能启动操作。

基于QAM的VDSL具有可在任何要求的业务中进行简单即插即用链路配置的集成通信信道。采用QAM调制技术,用户可以简单地选择与所需业务匹配的规格类型,并且链路可以自动配置。而DMT VDSL必须对用到的全部4,096个子信道进行参数交换,在VDSL频率的高串扰环境下,单条DMT线路可能与其相邻线路对某子信道的使用产生竞争。

b. 功耗问题

对于VDSL应用来说,功耗问题十分重要,通常要求系统设备具有较小的尺寸和功耗,较大的功耗将影响业务提供的可行性。DMT调制需要比QAM调制的模数/模数转换器多1至2位,而AD/DA转换器中每增加一位都将使功耗增大一倍。

同样,DMT还需要更多的数字信号处理、存储器和数据缓存资源来处理4,096个子信道,而所有的子信道都将产生一定的功耗。由于采用12位AD和DA转换,4频段QAM VDSL每端口的功耗为1.5瓦,而且不存在信号削峰的问题。QAM技术采用判定反馈均衡技术,在整个频带上对输入信噪比(S/N)进行平均,而DMT只在每个子信道上对数据位进行平均。如图4所示,子信道中信号最小的SNR值在虚线以下时,DMT将不能使用该子信道上信号。但对于QAM调制解调器,即使频率的SNR值远低于DMT设备实现正常性能所需的水平时,系统仍能正常地工作。

c. 互操作性

系统的互操作性也是影响其市场的一个关键因素,在这方面QAM VDSL技术具有优势,半导体供应商已经在各自的芯片组解决方案中实现了互操作性。

相反,DMT VDSL的互操作性则前景不明,因为很多的供应商尚未提供该技术方案。由于DMT是ADSL的标准线编码技术,因此用户端的现有ADSL上的ATM调制解调器仍然能同线路另一端基于ATM的DMT-VDSL调制解调器进行通信。

目前最常用的配置还是VDSL上的以太网与光纤互联,而不是同配备ATM的DSLAM器件互联。设备提供商和业务提供商将根据众多的技术和商业因素进行决策。在这方面,QAM的功能、市场发展、快速而大量的系统安装,以及其互操作性将使其成为真正意义上的铜线宽带互联技术。

作者:Steven Haas

COMAccess部产品行销总裁

Infineon Technologies以色列公司

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