据预测,DSL在几年内将获得大规模的应用,为了降低运营成本并提高DSL的使用效率,越来越多受成本驱动的运营商开始提出将话音业务和数据业务汇聚到一个平台上的要求,其目的之一是降低无线运营商等竞争对手形成的威胁。本文介绍的集成了话音和DSL功能的芯片组方案值得中国运营商和设计工程师来关注。
迄今为止,世界上大多数用户所享受的DSL业务都是由提供数据业务的DSL接入复用器和线路卡,通过遍布运营商的整个话音网的网络结构来提供的,但如今多业务聚合型的新一代网络结构已经蓄势待发,准备替换这些老的网络。新网络所采用的非对称型网络设备将具备集成特性,允许运营商以一种较好的、成本也较低的方式,通过一个单独的平台来为ADSL用户提供话音和数据业务。
下一代ADSL设备
要想在电信行业获得成功,通常必须将那些过去只能由多个分离设备实现的各种功能集成到一个单一的设备中才行。因为实际上网络中的任何资源都是非常珍贵的。您所服务的用户数越多,或者您在每英尺空间内或每英寸的线路卡上所能提供的业务种类越多,那么您的网络就会越有效,越容易获得高利润。
因此,设备供应商们已经开始想到用集成化方式设计下一代ADSL线路卡。这种ADSL线路卡之所以能够节约成本并节约空间,最主要的原因就在于它将话音芯片组和数据芯片组集成到了同一个芯片组上。
当前的ADSL网络通常是使用两个单独的线路卡分别为用户提供话音业务和数据业务,每个卡上都有支持自己的专门业务的芯片组。在网络中,通过传统的分离式分路器将基带POT信号(位于频谱低段)与ADSL信号分离开来,送至第5级交换机中的POT线路卡。然后又将ADSL信号(位于频谱的高端)送至位于DSLAM中的ADSL线路卡。最终,数据信息被路由到一个采用异步传输模式(ATM)技术的网络或者一个帧中继网络,或是分组数据网。更麻烦的是,这个分路器还是由电感、电容等分立元件组成的,而且安装时需要单独的盒子,这个盒子占用的空间本可以用来安置ADSL线。
由于这种分路器占用的空间会造成额外的费用(尤其对远程终端而言),所以线路卡设计师们已经为非集中式办公环境开发出一种更加紧凑的线路卡设计方案。那就是将过去分离的话音芯片组和数据芯片组集成到一个单独的线路卡上去,并将这个线路卡插入数字环路载体(DLC)或者一个RT大小的微型DSLAM。这种将两个芯片组安装在同一张线路卡上的做法使得运营商可以远程为用户提供业务。但美中不足的是,这种线路卡仍然需要一个分路器,因而对工程师和生产商而言仍然很复杂,而且这种做法也不具备实际操作所需的密集度,无法满足那些打算大规模提供集成话音和数据业务的运营商的要求。
以上谈到的是第一代集成线路卡,这种线路卡除了需要较大的空间以外,还有一个最基本的技术问题,那就是,其上的两组芯片通常是由不同的厂商生产的。这些芯片往往只在单独用于话音业务或者数据业务时性能最佳,而不适合用在同时汇聚了这两种业务的平台上。因为这两组芯片本来不适合在如此靠近的情况下共同工作,所以这时他们常常对线路卡的性能和密度造成一定的影响,要使他们并肩工作并获得让人们可以接受的性能,就必须做出调整,而这种调整是要付出代价的。
由于以上原因,下一代ADSL线路卡准备采用一种集成了ADSL和POT业务的芯片组(图1)来构成。将这两种业务集成到同一个芯片组中,就不再需要分路器,因为分路功能也被集成进该芯片组中去了。这种新一代的芯片组相对于今天的双芯片组式的集成线路卡或单功能线路卡而言,降低了成本,减少了所占用的空间,而且性能也有很大提高。
此外,采用这种新一代的线路卡,还能将每卡所支持的用户数提高40%到60%。这些用户要么是已经定购了ADSL和话音业务中的一种业务,现在需要定购另一种业务,要么是同时需要这两种业务。通过使用这种线路卡,运营商可以为每个用户提供1:1的ADSL业务和话音业务。运营商要使其网络同时汇聚这两种业务就应支持这种1:1的业务比例,而今天的所谓的“集成”线路卡(第一代双芯片组线路卡)则无法支持。
POT/ADSL集成带来的挑战
事实上,要将POT功能和ADSL功能集成到同一个芯片组上去,会使芯片设计师面临很多挑战。看看今天的集成线路卡设计方案,下一代ADSL芯片组设计师们就能决定他们怎样才能将成本降至最低,怎样才能使新设计实现最大的空间节省。
老的POT/ADSL线路卡上的POT芯片组,本来在设计时并未考虑要在与ADSL业务并存的环境下工作,而ADSL信号会带来很高的带外能量,并且POT的不稳定性也会产生高能量。因此,一方面,必须对POT芯片组实施保护,使其不受ADSL所带来的带外能量的影响；另一方面,也必须对ADSL芯片组实施保护,以免其受POT的影响。结果,就必须采用带大容量电容和电感的高阶滤波器来实现ADSL和POT之间的相互隔离保护。
这类滤波器有几个缺点:成本太高、占用空间过大以及不具备可编程性。另外,生产环境的变化带来的参数偏差也会以一种我们不希望的方式改变滤波器特性,但这种滤波器也还是有优点的,因为他们属于无源器件,所以功耗很低。
基于上述认识,设计师在设计下一代ADSL芯片组时很自然地就会将节约功耗的好处和使用数字滤波器的好处结合起来,于是就产生了“分布式分路器结构”的方案。“分布式分路器结构”中也用到了以上谈到的这种模拟无源滤波器,但用它的目的只是将ADSL信号从POT信号中分离出来,要达到所需的带内和带外性能,主要通过数字自适应滤波器来实现。采用这种方法之后,要达到同样性能所需的模拟无源滤波器的阶数至少降低了4阶,这就意味着可以使用一种二阶滤波器,这种滤波器内含有一个电感值较低的互感器。
这种新的结构使我们更容易减少由线路状态变化引起的问题,此处所指的线路既用来提供话音业务又用来提供数据业务。这种带有集成芯片组的新一代的ADSL线路卡与双芯片组线路卡相比而言,在减小线路状态瞬变引起的电压对话音业务和数据业务造成的影响方面,前者性能更好。此处所说的“瞬变”过程包括:
a. 由挂机到摘机的过程；
b. 由摘机到挂机的过程；
c. 振铃响起过程；
d. 由振铃响起到接听(拿起正在响的话机)的过程和POT断电过程(当话机处于挂机状态时,关断POT线路驱动器的电流以节约功耗),如图2所示。
POT/ADSL集成的设计考虑
芯片组制造商必须进行合理设计才能让POT和ADSL近距离互相配合工作。他们必须对这些集成了POT和ADSL的设备进行一定的工程处理,以便使ADSL电路能采取适当措施减少循环冗余检错中出现的错误,否则线路状态就会发生变化,此外,他们还必须阻止ADSL调制解调器的重建其状态。
在持续几十毫秒的瞬变过程中,整个频带宽度范围内会产生大量信号能量,因此这时很容易出错,而且,每次工作状态发生变化,信号通路中的POT部分就会发生阻抗变化。
例如,考虑一个功耗节省模式的POT线路处于挂机状态,这时的阻抗值如图2中绿色曲线所示,但当终端用户拿起话机进行一次POT呼叫时,中心局处的提示和振铃阻抗会迅速增大,如图2中红色曲线所示。这种阻抗的突然变化会对上行ADSL接收机性能产生极大影响,并导致噪声余量严重降低,于是误码率会增大,更严重时ADSL甚至会重建其状态。
这类阻抗变化对采用双芯片组的线路卡而言尤其麻烦,因为这两个芯片组在设计生产时并没有考虑要联合起来工作,也没有考虑到在阻抗可能产生变化的环境下工作。但如前所述,我们可以用分路器来弥补双芯片组线路卡上的阻抗变化,尽管这种变化可能很大,分路器的使用可以使ADSL芯片组在任何情况下都不受阻抗变化影响。
下一代ADSL线路卡与双芯片组线路卡则有所不同,它采用自适应数字滤波器来处理由状态瞬变产生的阻抗变化,这种线路卡除了可以动态适应阻抗变化所产生的各种不同的影响以外,它占用的空间也很小,结构更坚实,也更容易通过数字硬件或数字信号处理器来实现。此外,因为ADSL和POT会产生噪声,干扰其它信号,所以下一代线路卡还采用数字滤波器来减小他们产生的噪声,以免它们对彼此造成影响。
除了以上种种情况之外,集成芯片组方式还克服了另一个阻碍--合格性测试,因而能够推动ADSL的大规模应用。在用户签约使用ADSL业务之前,必须了解铜线是否能够支持某个特定的业务水平,更重要的是,这种线路是否能够达到较好的性价比要求,于是就需要进行合格性测试。宽带合格性预审通常包括:
a. 环路拓扑(包括线路长度、桥接抽头和负载线圈的情况)检查；
b. 频谱分析,用于分析与相邻HDSL、T1或ISDN线路之间的串扰,以及数据率估算,即用拓扑检测和频谱分析的结果来估算线路在无限制情况下能够支持多高的数据速率。
在当前的网络中,这种测试是通过主配线架和分路器之间交叉连接交换机上的独立测试头来实现的。每1,000到2,000条ADSL线路就需采用价值10,000美元的测试头,这增加了每条ADSL线路的成本,从而也就推迟了每条线路投资的回报期。任何大规模提供ADSL业务的RBOC都不得不为网络中成千上万的测试头付出相当大的一笔资金。
但如果是在集成化结构中,测试功能可以放到线路卡上或用户必须设备上的芯片组中去。ADSL芯片组还能向铜质双绞线发送时域反射测量脉冲,收集宽带噪音数据。然后芯片组会自己将收集到的数据进行编译或在线路卡的主处理器上对数据进行编译(图3),产生单文本信息,使运营商能自动进行线路合格性预审测试和维护测试。这种方法不但能降低总的投资,还能进行有效的一致性环路性能测试,以确保提供令用户满意的服务质量。
而且,这种将测试功能集成到芯片组中的方法,还使得在那些空间受限,无法安置测试头的DLC/RT处也能进行测试(图4)。在DLC/RT处,每条线路的测试通常都是通过一个线路卡实现的,这个线路卡是经指定可用于测试的。尽管这种方法比安装测试头便宜,但其成本仍然不低,而且还要占用一个宝贵的卡槽,而设备具备集成测试能力之后,就不再需要那么多与测试有关的机柜,也无需占用宝贵的插槽,这将极大降低大规模ADSL应用的成本。这一点非常重要,因为那些定购了DLC业务的用户中有很大一部分可能成为ADSL用户,而今后的两到三年内很可能出现大规模的ADSL应用。
选择改良后的方案
下一代芯片组除了将话音和数据业务以及测试能力集成到同一块芯片上之外,还在POT和ADSL方面均具备可编程性。而线路卡如果采用了可编程芯片,那么就能在全世界范围内使用,因而提高了芯片产量,相应地也就降低了成本。
通过对芯片编程,新一代芯片组可以适应各个国家所使用的不同的ADSL和POT业务。全世界共有三种ADSL:Annex C、Annex B和Annex A,其中Annex C用于日本,Annex B用于大多数欧洲国家,而Annex A用于其他任何地方。不同国家对POT的要求也不尽相同。新一代芯片组可适应以下不同参数:
a. 不同的提示和振铃终端上的阻抗匹配；
b. 各种增益设置；
c. 混合阻抗平衡(用于实现最佳回波抵消)；
d. 振铃产生的各种电压；
e. 各种不同的频率。
不具备可编程性的芯片组如果要满足不同国家的不同要求,就必须外加电路,这就使生产过程和应用过程的成本增高,结果妨碍了运营商在全球范围内推广ADSL应用。
本文小结
今天,设计师们已经将以上这些功能集成到那些将用于下一代ADSL线路卡上的芯片中去了。但是,除此以外,集成芯片制造商还在考虑是否要在近期内再为ADSL线路卡芯片组增加两个额外的特性。
首先是使芯片组上的POT和ADSL互相对彼此的状态有所感应,并使那些相邻工作的端口间也互相有感应。在这种情况下,两个端口中任何一方都能感应到这两个端口产生的信号,从而可以相互交换信息,优化每个端口的性能。
其次是允许线路的ADSL端口对POT端口作诊断检测,反之亦然。例如,如果线路的POT端工作不正常,那么ADSL端就得到警告,于是执行一些基本的实体检测,尽力确定问题的性质。然后再执行修复操作或者发送一个告警信号。从理论上来说,芯片的设计可以以一种符合用户网络管理过程和程序的方式处理任何一种给定的状况。
作者简介:
Herbert Zojer是一位系统结构工程师,致力于开发POT和ADSL芯片组。他于维也纳技术大学获得工程师资格,并在西门子公司工作了13年。可以通过电子邮件:-us@与他联系。
Jim Wahl是Aware 公司的DSL市场经理。他在马塞诸塞技术学院获得管理学士学位,可以通过电子邮件:jwahl@与他联系。
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