业界普遍认为“下一代”对称/不对称DSL技术将是VDSL,其传输距离短于不对称的ADSL和对称的SHDSL,但速率却要快得多。目前VDSL的下行速率从对称的10/10Mbps到50/50Mbps,或者从不对称的1Mbps到超过100Mbps。本文介绍VDSL调制解调器的硬件体系结构,并对软件部分的设计进行了简要分析。
VDSL比现有xDSL技术速率要高很多,这样高的速率代价是传输距离受到限制,不对称50Mbps下行速率的传输距离通常为500米,对称10Mbps速率的传输距离为1,200米。现场应用中,实际速度一般为下行26Mbps和上行3Mbps。在市场需求驱动下,电信运营商还在朝速率加倍的方向发展。
消费者使用宽带VDSL服务的主要原因包括:
* 提高基本的互联网数据访问速度
* 下载音乐及视像文件
* 访问在线教育服务及娱乐和游戏服务
* 通过使用VoIP减少长话费用
* 在一些亚太国家,VDSL服务的价格和ADSL相同,但带宽有所增加
亚太地区的VDSL市场正在强劲增长,尤其是在韩国,现有运营商KT和竞争者Hanaro都已经着手计划用VDSL替代其ADSL线路。根据最近的一些调查,2003年发运的VDSL端口或调制解调器已超过700万个,而到2004年底会再增加大约1,200万个,这使得VDSL成为电信领域增长最快的市场之一。
VDSL调制解调器
像其它数字传输技术一样,VDSL从ISDN技术发展而来,它使用现有的铜电话线来发送和接收数字化数据,这与模拟拨号调制解调器不同,模拟和数字信号之间的转换靠调制解调器完成。
调制解调器将计算机或其它数字设备发出的数字信号调制成模拟信号,以便在传统的铜质双绞电话线上传输,随后再将接收到的模拟信号解调成数字信号以便数字设备进行处理,数字设备可以是个人计算机、IP电话或者LAN交换器等。
VDSL调制解调器由三个部分组成(图1):
* 数字收发器。用于安排保护数字数据输入完整性以便进行传输,并可实现某种调制方案。数字收发器还包括一个用于管理和提高服务质量(QoS)功能的外设控制模块。
* 模拟前端(AFE)。它将数据从数字形式转换成模拟形式,并根据管理参数将模拟数据流分为两个广播频带。
* 线路驱动器。用于随后在电话线上发送数据。
因为调制解调器是双向工作的,所以发送通路(Tx)和接收通路(Rx)之间必须有明显的区别。除了线路驱动器以外,Rx通路包含了Tx通路所有的器件和功能,只是工作顺序相反。
下面介绍Tx通路上的数据流,图2是VDSL调制解调器中所用数字收发器结构框图。
数字收发器
图2清楚地显示了Tx和Rx传输通路,以及组成数字收发器的四个功能模块。Tx通路通常包括:
*
用户接口,即传输协议相关汇集子层(TPS-TC)模块。如英飞凌的数字收发器可提供各种以太网、ATM和PCM接口,适合于多种应用。标准的以太网接口支持10/100BaseT以太网MAC或PHY设备,它还支持10Mbps和100Mbps数据速率、全双工和半双工模式、全双工模式下的802.3x流控制、半双工模式下流控制所用的背压(back pressure),以及调试模式和SNMP或RMON统计计数器等。
* 物理媒质相关汇聚子层(PMS-TC)模块。它包括一个产生VDSL调制解调器所需随机数的随机数发生器,可生成统计均匀的位流。PMS-TC还有三个附加功能,分别是:
1. 一个Reed Solomon前向纠错(RS-FEC)编码器,每个编码字可以提供最多八个字节校正的数据保护。
2. 保护有效荷载的卷积交错。它可使数据不受脉冲噪声的干扰。3. VDSL成帧器。它提供VDSL帧,包括用户有效荷载和报头插入。
* 物理媒介相关(PMD)模块,它包括调制、DAC功能和整个数字收发器AFE接口。几乎所有商用VDSL系统都采用QAM调制方案,它由配置和控制寄存器的设置决定,这些寄存器是外设控制模块的一部分。
* 外设控制模块。它是指支持所有其它调制解调器所需的器件和功能,包括一个微控制器、用于缓冲功能的存储器、用于存储固件应用程序的EEPROM,以及各种内部寄存器访问接口。
Rx通路的情况基本上与Tx通路相反,如在Tx通路中是数据调制,而在Rx通路中则是数据解调,其它以此类推。
模拟前端与线路驱动器
VDSL调制解调器的设计工作频率非常高,常常在非常不利的条件下工作。在上行方向,靠近机柜的VDSL调制解调器会引起强烈的远端串扰(FEXT),这时可用功率控制单元和功率补偿机构小幅减小功率。电源管理功能可使调制解调器根据上下行传输之间的平衡性优化功率,同时减小相邻线路间的FEXT。
在Rx通路将完成下面一些功能:
* 自动增益控制器(AGC)接收和放大两通道信号,ADC输入端的信号功率取决于传输线的长度,AGC把信号调整到ADC输入范围,数字收发器内部处理器控制AGC电路。
* Rx信号随后通过一个模拟通道均衡器(ACE),该通道对信号高频部分的衰减要多于对低频部分的衰减,ACE靠提高传输频率补偿Rx信号。
* Rx信号在到达ADC及数字收发器之前,先由一个抗畸变滤波器进行处理。
模拟前端还包括下列模块:
* 用于时钟生成和时序恢复的数控晶体定时装置,它工作频率的可能范围在25MHz到38.88MHz之间,具体值和期望系统的配置有关。
* 滤波器调谐单元,该滤波器的工作模式取决于晶体频率、可用的频段以及位速率。
* 唤醒装置,它可使调制解调器进入功耗最小的睡眠模式,然后由来自中央调制解调器的唤醒信号唤醒。
模拟芯片上必须连接一个具有所需典型频率的晶体,模拟前端里有一个内部机构相当于电容开关,能微调振荡器频率,并与晶体一起构成数控晶体振荡器(DCXO)。
传统上,针对每个特定设置,调制解调器的环境问题(回路中的传输频带和位置)要靠专门设计的滤波器来解决。无滤波器模拟前端完全没有传输和接收滤波器,而是连接到一个可自动匹配线路条件的外部自适应混合电路上。
速率自适应(RA)过程使一对调制解调器(LT和NT)根据线路条件来优化其配置,并为当前的线路条件选择最好的方案。它需要考虑下面参数:
* 调制解调器局限性
* 噪声分布曲线
* 许可频带规划
* 远端自干扰
分析了这些参数之后,RA将选择一个最稳定的配置,在RA寄存器规定的最大和最小值之间达到最高位速率。当RA回路检测到一个坏连接(即错误连接,或根本没有的连接)时,它就采用一个较短的回路配置来获得稳定连接,这样可防止RA进入死循环。
图3显示了相应的线路驱动器,驱动器AMP1和AMP2用作电流反馈放大器,这种布局的主要优点是具有较高上升速率以及可以独立改变增益和频带。
软件设计考虑
上面我们讨论了VDSL调制解调器的各种硬件,但VDSL调制解调器为了实现通信还必须具有许多软件特性。VDSL软件涉及连接管理、功率补偿和速率自适应算法,调制解调器的软件或固件程序存储在EEPROM中。
当固件载入并激活后,调制解调器就开始正常运行,各种功能都可以使用,并能支持多种连接环境。调制解调器通过一个一次性引导连接过程,从局端(LT)调制解调器将固件拷贝传输到终端用户(NT)调制解调器上,基本连接建立以后,就会有许多标准可识别的连接状态。
这种做法的设计思想是首先建立一个“简化连接”,也就是一个暂时连接,目的是建立更稳固的连接。其它的连接状态包括:
* 默认连接。冷启动后将建立一个默认连接。
* 目标连接。建立目标连接的目的是传输数据,它通过将目标配置设置成LT中的期望值进行确定。* 空连接。空连接在不需要传输数据时仍保持连接,它支持VOC消息,但不用于数据传输。空连接可以传输低功率信号,其定义类似简化连接,但功率更低。
连接管理在LT和NT两个层中进行(图4),图4中还显示了“连接状态机”。
传输配置连接状态机(图5)由VDSL主单元进行定义,设计通过提供VDSL标准规定的服务和机制支持互操作,包括:
* 冷启动和热启动
* 转为空连接或离开
* 状态机使用的连接传输参数标准集(STP)
* 功率补偿机制
LT连接管理层控制和配置连接状态机,并建立用户请求的目标连接,它还通过这个过程来控制NT和LT端的连接状态机。NT端的连接状态机作为从设备,通过VOC通道进行控制。NT连接管理层设置连接状态机基本配置性能,它不需要动态控制任务,因为它在连接建立过程中是从设备。
NT连接管理层还可保持连接状态机所用的传输配置。传输配置是若干预定义的连接配置集,每个配置由一个配置名和多个连接参数(如载波频率、构象和符号率)组成。传输配置可使STP编程简化,因为LT只需要为配置起名,而不用指定完整的连接参数组。传输配置保存在EEPROM中,可由用户修改。
作者:Amnon Harpak
设计总监
英飞凌公司
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