从本地电话局到用户之间的用户接入网是电信网的重要组成部分,也是信息高速公路的“最后一里”。为实现用户接入网的数字化、宽带化,人们提出了多项过渡性的宽带接入网技术,ADSL是最具有竞争力的一种技术,本文介绍ADSL接入要考虑的载波调制技术、一般性损伤和电话线特性。
Rob Rhodes
通信设计部经理
Thomson Multimedia
Mike Pugel
设计工程师
Thomson Multimedia
pugelm@
对于那些需要进行宽带数据接入但又不发送相应大量数据的住宅和商业用户而言,非对称数字用户线路(ADSL)业务较为适用,它的下行数据率大大高于用户的上行数据率,这种非对称模式是根据因特网业务上行数据量小、下行数据量大的特点而提出的。例如,用户发出一个网页(少量的上行数据)和接收带有图像和声音的HTML信息(大量的下行数据)就是典型的非对称接入。
ADSL系统使用现有的电话线在用户和中心局(CO)之间进行双向数据通信。ISDN线路或标准拨号调制解调器也使用电话线进行通信,但是,这些业务不允许在同一电话线上同时进行标准模拟电话业务。ADSL一个重要的优势就在于它允许普通老式电话系统(POTS)信号与ADSL数据信号共存。
本文对ADSL系统结构的介绍将从物理层开始,内容涉及ADSL的多载波调制技术、一般性损伤和电话线特性。
频谱分配
ADSL物理层能与标准PTOS频谱和平共存。共存的原因在于ADSL频谱只使用高于PTOS频带的频率,POTS的频谱范围从DC到4kHz左右。在POTS频谱和ADSL频谱之间设置保护频带有助于避免产生干扰。ADSL频谱起点高于POTS频带,最高频率可达1.1MHz左右。ADSL频谱的低段部分用于上行传输(从用户到CO),频谱的高段部分用于下行传输。实际中划分上、下行频带有两种不同的方式(图1)。
在频分复用(FDM)系统中,上行和下行频谱采用各自的频段。频带可随实现方法的不同而不同,但是一般而言,上行频带为25至200KHz,下行频带为200KHz至1.1MHz。ADSL标准也允许采用其他的频分方式,此系统不会产生自串扰,但与回波对消系统相比,其缺点是下行带宽降低了。
回波对消系统允许其下行频段与上行频段重叠,上行频段依然为25至200KHz,但下行频段可扩展至上行频段部分。这种系统的主要优点在于大大扩展了可用的下行带宽,但是,它必须具备回波抵消电路才能进行全双工传输。此外,自交调的存在也会导致额外干扰的产生。
DMT调制技术
ADSL的物理层采用一种称为离散多音(DMT)的多载波调制技术。DMT系统采用一种非常类似于正交频分复用(OFDM)技术的方法在多个子信道(subcarrier)上传输数据,许多无线系统采用这种OFDM技术。DMT调制器并行采集N个数据信号并同时在N个子信道上传输这些符号(symbol)。每个子信道上的数据率是原有数据率的1/N。
数据率的降低会导致DMT符号周期延长为N倍。符号周期变长使符号存在时间长于信道时间间隔,从而更易消除符号间干扰。
利用反向快速傅里叶变换(IFFT)在发射端生成正交子信道即可形成DMT符号。发射端的数据符号可认为是频域信号,它代表了IFFT基本函数(不同频率下的正交正弦曲线)的复合权重(complex weights)。然后IFFT将数据符号转换成时域下的正弦和信号。
IFFT输出信号样本块即为DMT符号。这种时域信号通过信道传输,接收端采用FFT将时域信号变换成频域信号。图2阐释了这种典型的ADSL发射端/接收端的工作方式。
2N点IFFT用于生成DMT符号,其中N个负频率IFFT点是N个正频率点的共轭复数。这种对称频谱产生一个真正的时域信号。由于子信道在DC零频以外(未用)的附近,所以此DMT符号以DC为中心,这样会在DMT频谱中生成一个通路以留出POTS频谱位置,因此,DMT是一种真正的基带系统。
DMT支持循环前缀插入。循环前缀是一种带有长度LP的样本块,这种长度LP是DMT符号中最后LP样本的拷贝。首先传送这个前缀,然后再传送DMT符号中的2N个样本。之所以选用长度LP是因为它会比信道响应长度更长。循环前缀含有冗余信息,但是,DMT接收端能够利用这种前缀来降低信道干扰。循环前缀的作用将在损伤一节中有更详细的描述。
动态位分配技术使DMT能有效利用可用的信道容量。这种技术使系统能够根据子信道的信噪比(SNR)动态地改变每个子信道每个字符的比特数。由于二进制相移键控(BPSK)和四相移键控码都是具有鲁棒性的调制形式,所以它们可在低信噪比的子信道上传送。若子信道信噪比极低,则此子信道将根本不会用来传输数据。高信噪比子信道可传输高阶正交调幅(QAM)码以增加数据吞吐量。
损伤问题的成因
ADSL系统中存在以下几种重要的损伤类型:加性白高斯噪声(AWGN)、交调、脉冲噪声、桥接头反射以及无线电噪声。
AWGN是所有通信系统中都存在的一种热噪声。在ADSL数字系统中,当噪音使接收样本超过判决门限时,AWGN就会导致接收端产生误码。同许多其他数字通信系统一样,ADSL采用差错控制编码来降低AWGN干扰。这种方法给被传输信号上添加冗余码,接收端利用此冗余码来进行错误检测和校正。
ADSL采用三层编码方式。物理层中的最内层码是卷积码。接收端采用Viterbi算法对接收信号进行解码。
卷积码分析
卷积码非常适用于校正随机错误,但是,解码算法本身的特性却是:如果在解码过程中发生错误,解码器可能会导致突发性错误。
在卷积码的上部采用Reed-Solomon块码(block code)。Reed-Solomon码适用于检测和校正那些由Viterb解码器产生的突发性错误,其功能强大。ADSL规范规定每个Reed-Solomon码字长度可达255字节,其中包含16个奇偶字节。最外层码是循环冗余校验(CRC)码。CRC码可对错误进行检测,但不能进行校正。CRC码用于进行顶层错误检测以检测出Viterbi和Reed-Solomon解码未能检测出的错误。
由于束状电话电缆中包含许多不同用户的电话线,所以交调是一种常见的损伤。这些电线产生电磁辐射并降低电缆中其他电线的电流,此干扰即为交调效应。电线中存在两种基本的交调,两者都以加性噪声形式出现在接收端。
当发射端干扰位于电缆同一端的接收端时,就会产生近端交调(NEXT)。当发射端干扰位于电缆远端的接收时,就会产生远端交调(FEXT)。相对而言,近端交调的影响要比远端交调的影响大得多,这是因为远端交调干扰贯穿了整条电缆,当它到达接收端时其影响已经减弱。
交调可进一步分为自交调和外交调。自交调是来自采用同一频谱的另一ADSL系统的干扰。外交调是来自采用不同频谱分配的另一ADSL系统或另一种完全不同的系统(如ISDN)的干扰。减少交调干扰的一种方法是采用频谱分配。
在回波对消ADSL中,上行和下行信道重叠(图1)。由于它在发送和接收时使用相同的频带,所以会产生自交调和外交调干扰。但是,在FDM ADSL系统中,上行和下行信道采用不同的频带,所以不存在自交调,但外交调依然存在。
存在时间短但影响大的干扰是脉冲噪声。闪电或马达启动引起的脉冲噪声会引起功率波动。ADSL系统使用交织和编码相结合的方式来纠正脉冲噪声造成的差错。其中,交织过程重排数据以使那些在时间上连续的样本能够间隔开来。脉冲噪声能造成解码器的突发性错误。采用交织编码方法可及时分散这些错误从而提高解码性能。
其它损伤
桥接头反射是ADSL系统中的一种附加损伤。桥接头是指一端连接到环路而另一端未接负载的一段电线。铺设于在建住宅区内的未接电线就是一种桥接头。当发射信号到达桥接头时,信号分离。一部分信号继续传送到接收端,而另外一部分则在未接端产生反射。这个反射导致信号延迟到达接收端,并造成接收信号失真。这种干扰非常类似于无线通信系统里多路信道产生的干扰。
桥接头会造成两种干扰。第一种是符号间干扰,是由前一DMT符号的延迟造成接收DMT符号失真所引起的。符号间干扰可通过在接收端删除循环前缀而消除(循环前缀是一种冗余信息,接收端并不需要这种信息)。但前缀长度要选择好以便前一信号的延迟只会使DMT符号的循环前缀失真但不影响其实际数据部分。能通过删除循环前缀而消除符号间干扰是具有较长符号周期系统的优势之一。
第二种是符号内干扰,是由DMT符号的延迟造成符号自身干扰所引起的。频域内的符号内干扰表现为接收信号频谱的变形。接收频谱本质上是发射频谱和信道频率响应的乘积。这种由于符号内干扰引起的变形可通过频域均衡器来消除。
此外,无线电噪声是由无线信号源引起的一种干扰。系统中的铜电话线会充当天线而接收到这种干扰。最常见的无线电噪声源是AM电波,主要是因为其频谱同ADSL频谱重叠。编码方法能够纠正无线电噪音导致的错误,另外也可用自适应RF对消滤波器来消除干扰。前文中提到的动态位分配技术可用于消除位于干扰频率附近的子信道的干扰。
ADSL与现有设备
长途交换局(TO)之间的主干线通过光纤连接。这些交换局在本地交换机和传送长途业务的长距光纤之间提供接口。长途交换局也连接到那些控制本地交换业务的中心局。这种中心局装有用于家庭接入的主交换设备,而且也是前端DSL设备的所在地。
在几个中心局和长途交换局之间经常根据运作可靠性要建立多个互连网络。从中心局开始,网络被进一步细分成多个由远程终端(RT)提供服务的用户业务区(CSA)。这一区域通常是指从中心局到家庭的最后一段,如一个大型街区或一个小城市。
CSA可再进一步细分成配线区(DA),它起始于可维护多达500路电话线的支线分布接头(FDI)。FDI是个临界点,在FDI处,电话线依旧成束捆在电缆内,但是通过FDI后,电话线就各自分开连接到每个家庭,最后将电话业务送到家庭。
标准铜双绞线是在中心局和远程终端之间以及远程终端再到住宅的主要传输介质。在这些区域内采用光纤介质在技术上是可行的,但不经济。但在中心局和远程终端之间会最终采用光纤传输的,这种升级也将改善ADSL业务性能。
在一段极长电话线距离上提供电话业务的能力通常称为长途业务,传输距离受到中心局电话交换设备能力的影响。能运行的网络交换设备的最大DC负荷阻抗大约为1,500
此阻抗能承载的距离即为修正阻抗设计(RRD)距离。电话话音质量通常在到达修正设计距离之前就受到了影响(这个修正距离能超过3英里)。电话公司通常会采用一些更粗电线和负载线圈的方法来提高话音质量。ADSL的性能也与中心局到家庭的距离有关。
普通旧铜线
铺设在中心局和住宅之间的铜双绞线对ADSL系统的性能影响最大。铜线为双向语音通信提供即时信号路由,这种语音信号所占频带最高不超过4KHz。4KHz以上频率可插入ADSL信号。这种铜线最好按有损耗传输线建模。大多数设备采用的是19到26规格的铜线。
较细的铜线(规格号较高)通常在靠近中心局段使用以使铜线束较小。较粗的铜线用在靠近住宅段,既能扩大从中心局到居民区的距离又使电阻保持在正常话音交换所需的范围之内。
传输线路模型包括与一个旁路电阻(因电介质损耗而产生)并联的一个旁路电容以及一个串联电阻和串联电感。电缆规格规定所有规格铜线的每英里电容都是常数。因此,线路的归一化阻抗通常为120
系统损伤主要是由铜线引起或经其引入。铜线本身存在的损耗就会导致信噪比降低。如桥接头和接线之类的未接线路会在系统中产生反射。这些反射又会引起自扰,如损伤部分所述,反射会在某一频率处导致信号消失。通常,从FDI处(扇出点)到住宅的铜线未经屏蔽,易受外来信号影响(易接收处于相同频率范围内的外部信号)
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