調(diào)制解調(diào)器和ADSL解析課件

1、中科院大學(xué)計算機網(wǎng)絡(luò)碩士課程第2單元 調(diào)制解調(diào)器和ADSL2012年9月21日1授課教師：魯士文 第2單元 調(diào)制解調(diào)器和ADSL目錄 2.1 調(diào)制解調(diào)器2.1.1 話音線路的參數(shù)和信號失真問題2.1.2 調(diào)制解調(diào)器的基本成分2.1.3 調(diào)制過程 2.2 ADSL2.2.1 ADSL接入網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備配置2.2.2 ADSL調(diào)制技術(shù)和傳輸機制 2.2.3 數(shù)字用戶線接入復(fù)用器 2012年9月21日2授課教師：魯士文 第2單元調(diào)制解調(diào)器和ADSL電話網(wǎng)絡(luò)的本地回路使用雙絞線電纜把用戶電話連接到最近的電話端局。用于話音的本地回路具有4kHz的帶寬，該帶寬限制主要是由模擬交換機的模擬接口電路所引起。根據(jù)香

2、農(nóng)關(guān)于信道容量的定理，傳統(tǒng)的調(diào)制解調(diào)器在一般環(huán)境下有一個大約33.6kbps的數(shù)據(jù)速率限制；在通信的一方直接采用數(shù)字信號另一方采用模擬信號的不對稱傳輸情況下，一個方向上的數(shù)據(jù)速率可以達到56kbps的最大值。隨著因特網(wǎng)應(yīng)用的發(fā)展以及用戶對更高速率的需求，電話公司為本地回路開發(fā)了稱作數(shù)字用戶線的新技術(shù)，ADSL就是其典型的代表，并得到了廣泛的實施。ADSL不使用傳統(tǒng)的電話交換機，可以在電話線路上繼續(xù)提供話音服務(wù)的同時，提供對因特網(wǎng)和其他網(wǎng)絡(luò)的高速接入。具體的數(shù)據(jù)速率跟線路的長度有關(guān)。按照ANSI T1.143規(guī)范，ADSL在傳輸距離是2.73.7km時下行速率為68Mbps，上行速率為1.5Mb

3、ps；在傳輸距離是4.55.5km時下行傳輸速率為1.5Mbps，上行速率為64kbps。2012年9月21日3授課教師：魯士文 第2單元 調(diào)制解調(diào)器和ADSL本章將在深入考察現(xiàn)有電話線路的傳輸特性的基礎(chǔ)上討論在模擬電話線路上傳送數(shù)字信號的技術(shù)和相關(guān)的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，涉及電話撥號接入方式和ADSL接入方式。兩種方式都使用現(xiàn)有的電話系統(tǒng)的雙絞線本地回路，并且都采用調(diào)制解調(diào)器技術(shù)，但后者不受傳統(tǒng)電話交換機低帶寬濾波器的限制，可通過頻分多路復(fù)用實現(xiàn)寬帶接入的目標。2012年9月21日4授課教師：魯士文 2.1 調(diào)制解調(diào)器今天，盡管大多數(shù)通信載體公司都采用了全數(shù)字化的傳輸設(shè)施，但模擬電話系統(tǒng)仍然是數(shù)據(jù)通信廣

4、泛使用的重要設(shè)施。由于終端和計算機產(chǎn)生數(shù)字脈沖，而電話線路的設(shè)計是面向模擬話音信號的，因此，為了在這樣的線路上傳輸數(shù)據(jù)，需要有一個設(shè)備把終端和計算機的數(shù)字數(shù)據(jù)脈沖轉(zhuǎn)換成在電話線路上傳輸?shù)哪M音調(diào)。這樣的一個設(shè)備就是調(diào)制解調(diào)器。 2012年9月21日5授課教師：魯士文 2.1 調(diào)制解調(diào)器在其最基本的形式中，一個調(diào)制解調(diào)器，簡稱Modem (Modulator-Demodulator),由一個電源、一個發(fā)送器和一個接收器構(gòu)成。電源提供運行Modem所需要的電壓。在發(fā)送器中，調(diào)制器、放大器與過濾、整形和信號控制電路一道工作，把數(shù)字直流脈沖轉(zhuǎn)換成可以在電話線路上傳輸?shù)哪M信號。接收器包含一個解調(diào)器和把

5、模擬電話信號轉(zhuǎn)換成計算機或終端可接受的數(shù)字脈沖序列的相關(guān)電子器件。圖2-1示出了這樣的信號轉(zhuǎn)換。2012年9月21日6授課教師：魯士文 2.1 調(diào)制解調(diào)器 2012年9月21日7授課教師：魯士文 2.1.1 話音線路的參數(shù)和信號失真問題帶寬是對一個頻率范圍的寬度的測量，例如，B=f2-f1，這里的B是帶寬，f2和f1分別是在一個范圍內(nèi)的最高頻率和最低頻率。圖2-2示出了在與人耳可以聽到的聲音頻譜相比較的電話通道的帶寬。在這里用赫茲（Hz）為單位表示每秒周期數(shù)。形成電話通道的3000 Hz帶寬通常稱作通道的通頻帶。術(shù)語通頻帶指的是在允許一個預(yù)定范圍的頻率通過的頻譜中一個連續(xù)的部分。因此，一個電話

6、通道的通頻帶允許在300到3300Hz之間的頻率通過。2012年9月21日8授課教師：魯士文 2.1.1 話音線路的參數(shù)和信號失真問題 2012年9月21日9授課教師：魯士文 2.1.1 話音線路的參數(shù)和信號失真問題電話通道取這樣的通頻帶的理由是經(jīng)濟性。低于300 Hz和高于3300Hz的頻率對于理解電話會話基本上不是必需的，盡管在電話連接的另一端聽不到講話人的最高音。僅傳送3kHz來代替人耳可以聽到的20kHz使得每個呼叫所需要的帶寬減少大約6的因子。這個帶寬減少使得電話公司能夠更有效地采用頻分多路復(fù)用，允許在電話局之間的共享線路上同時運載更多個話音呼叫。為了建立一個電話通道的通頻帶，電話公

7、司使用低通和高通濾波器，僅允許低于一個預(yù)定頻率的所有信號或高于一個預(yù)定頻率的所有信號通過通道。作為使用濾波器的結(jié)果，在濾波器操作的截止頻率附近的振幅-頻率響應(yīng)變成圓弧形，此后，響應(yīng)曲線隨著濾波器的衰減變得顯著而趨向大的負值。圖2-3示出了在一個電話通道上是如何使用濾波器來建立一個通頻帶的。2012年9月21日10授課教師：魯士文 2.1.1 話音線路的參數(shù)和信號失真問題 2012年9月21日11授課教師：魯士文 2.1.1 話音線路的參數(shù)和信號失真問題在理想的情況下，在一個電話通道的通頻帶上所有的頻率應(yīng)該經(jīng)歷同樣數(shù)量的衰減，就像在圖2-3中示出的在截止頻率之間的直線那樣。不幸的是，高頻要比低頻

8、更快地減少強度，使得在頻率向著通頻帶的端點增加時衰減增加。此外，當接近通頻帶濾波器操作頻率的邊緣時衰減增加。結(jié)果，表示電話通道中信號衰減失真的振幅-頻率響應(yīng)就如圖2-4所示的那樣。2012年9月21日12授課教師：魯士文 2.1.1 話音線路的參數(shù)和信號失真問題 2012年9月21日13授課教師：魯士文 2.1.1 話音線路的參數(shù)和信號失真問題為了把衰減失真的影響減到最小，一些Modem中包括一個衰減均衡器。這種類型的均衡器在通頻帶內(nèi)引入可隨頻率變化的增益，補償高頻和低頻的差別，也補償在通頻帶邊緣增加的衰減。圖2-5示出了一個衰減均衡器的操作，它的作用在通頻帶上產(chǎn)生接近均勻的信號電平。2012

9、年9月21日14授課教師：魯士文 2.1.1 話音線路的參數(shù)和信號失真問題 2012年9月21日15授課教師：魯士文 2.1.1 話音線路的參數(shù)和信號失真問題影響從接收信號恢復(fù)信息的第二種類型的失真是延遲失真。在一個無失真的通道中，所有頻率以同樣的速度通過通道，信號的頻率和相位對時間具有恒定的線性關(guān)系，從而保證一個信號的發(fā)送不會干擾前一個已被發(fā)送的信號的接收。不幸的是，在現(xiàn)實中的所有通道都有一定程度的失真。當失真發(fā)生時，在信號的相位和頻率之間的關(guān)系變成非線性的。 在不同頻率上測量延遲所得到的包絡(luò)延遲反映了相位相對于頻率的曲線的斜率變化的程度。這種延遲變化是基于傳輸距離的改變。圖2-6示出了在電

10、話通道上發(fā)送的信號的兩個典型的延遲曲線，其中比較陡的曲線表示在比較長的距離的線路上的包絡(luò)延遲（相對于比較平緩的曲線而言）。2012年9月21日16授課教師：魯士文 2.1.1 話音線路的參數(shù)和信號失真問題 2012年9月21日17授課教師：魯士文 2.1.1 話音線路的參數(shù)和信號失真問題為了說明包絡(luò)延遲對通信的潛在影響，假定一個Modem用兩個音調(diào)之一發(fā)送：f1表示二進制0，f2表示二進制1。這種調(diào)制方法稱作頻移鍵控（FSK: Frequency Shift Keying）。由于不同的頻率具有不同的延遲，現(xiàn)在存在著這樣的可能，當音調(diào)f1到達接收端Modem時，表示不同二進制值的音調(diào)f2也同時到

11、達了。這就可能引起一個接收到的信號在時間上跟第二個信號重疊，由一個音調(diào)引起另一個音調(diào)失真。雖然所有的通信線路都展示一定程度的延遲，但重要的是扁平化通過通頻帶的延遲，以最小化一個信號音調(diào)重疊另一個音調(diào)的可能性。一些Modem的設(shè)計使用延遲均衡器，引入跟電話通道所呈現(xiàn)的特征大約相反的延遲。通過使用一個均衡器，在通頻帶內(nèi)跟頻率相關(guān)的延遲可以變成如圖2-7所示那樣相對扁平。這樣做的結(jié)果是減少了一個音調(diào)干擾另一個音調(diào)的可能性，人們把這種干擾正式地稱作符號間干擾。2012年9月21日18授課教師：魯士文 2.1.1 話音線路的參數(shù)和信號失真問題 2012年9月21日19授課教師：魯士文 2.1.2 調(diào)制解

12、調(diào)器的基本成分圖2-8以方框圖的形式示出了一個Modem的基本組成元素，其中，圖的上半部是跟發(fā)送器相關(guān)的成分，圖的下半部是跟接收器相關(guān)的成分。需要指出的是，圖2-8表示的是一種通用的Modem，用虛線畫出的那些成分僅適用于同步設(shè)備。此外，為了把重點放到數(shù)據(jù)的調(diào)制和解調(diào)上，圖中故意省略了諸如微處理器、ROM和RAM等為Modem提供智能的其他成分。Modem發(fā)送器的關(guān)鍵成分包括數(shù)據(jù)編碼器、擾碼器、調(diào)制器、放大器、濾波器、時鐘源和發(fā)送控制電路。在這些成分中，擾碼器和由時鐘源提供的發(fā)送時鐘僅用于同步Modem(信號自帶時鐘)。 2012年9月21日20授課教師：魯士文 2.1.2 調(diào)制解調(diào)器的基本成

13、分 2012年9月21日21授課教師：魯士文 2.1.2 調(diào)制解調(diào)器的基本成分數(shù)據(jù)編碼器是一個選項，在許多Modem中使用，使得每次信號變化可以表示多于1位的信息。同步Modem在RS-232接口的15針和17針上提供時鐘信號。當一個Modem接收一個調(diào)制的同步數(shù)據(jù)流，并把調(diào)制后的數(shù)據(jù)傳遞給附接的終端設(shè)備時，它也給數(shù)據(jù)終端提供一個時鐘信號。這個時鐘信號由Modem從接收的數(shù)據(jù)中產(chǎn)生，告訴終端設(shè)備什么時候在針3（接收數(shù)據(jù)電路）上采樣。因此，接收時鐘信號也常被稱作衍生時鐘信號，因為它是從接收的數(shù)據(jù)中產(chǎn)生的。為了讓一個同步Modem的接收時鐘正確地起作用，必須使它保持跟接收的數(shù)據(jù)同步。這就要求在數(shù)據(jù)

14、組成中有足夠數(shù)量的跳變，從而允許接收方Modem的電路從接收的數(shù)據(jù)取得定時信息。由于數(shù)據(jù)流可以由任意的位組合模式構(gòu)成，數(shù)據(jù)很可能隨機地包含長串的0或長串的1。當發(fā)生這樣的數(shù)據(jù)序列時，數(shù)據(jù)就不能給接收方提供時鐘恢復(fù)所需要的足夠數(shù)量的信號跳變，這就是在同步Modem中結(jié)合進擾碼器的緣由。2012年9月21日22授課教師：魯士文 2.1.2 調(diào)制解調(diào)器的基本成分擾碼器根據(jù)預(yù)定的算法修改待調(diào)制的數(shù)據(jù)。這類算法通常使用一個反饋移位寄存器實現(xiàn)，它檢查位序列，修改其組成，保證每種可能的位組合都同樣可能發(fā)生。在接收Modem處，一個解擾器采用跟發(fā)送方相反的算法過程，把數(shù)據(jù)恢復(fù)成原先的串行數(shù)據(jù)流。在本質(zhì)上，擾碼

15、器的操作是為了使得數(shù)據(jù)看上去更加隨機。我們可以把擾碼和解擾過程用多項式來表示，例如取多項式 P=1+x-3+x-5，用它表示的二進制數(shù)據(jù)去除一個輸入序列就產(chǎn)生被擾后的序列。在接收器中將所收到的加擾信號乘以同一多項式即可恢復(fù)原始輸入序列。 圖2-9中，100101是多項式P所表示的二進制數(shù)據(jù)，輸入序列是101010100000111，被擾碼后的發(fā)送序列是101110001101001，它是輸入除以P（100101）的結(jié)果。當它再乘以P時，即可得到原始輸入。我們可以看到，在輸入序列中包含周期性序列101010和一個長串的0，擾碼器有效地把長串的0消除了，使得連續(xù)0的個數(shù)不超過3。 2012年9月2

16、1日23授課教師：魯士文 2.1.2 調(diào)制解調(diào)器的基本成分 2012年9月21日24授課教師：魯士文 2.1.2 調(diào)制解調(diào)器的基本成分調(diào)制器根據(jù)串行數(shù)據(jù)流改變Modem放到通信線路上的載波的音調(diào)。 放大器提高將要在電話線路上傳輸?shù)恼{(diào)制信號的電平，而濾波器限制放到線路上的音調(diào)的頻率。在接收端，從電話線路上接收到的信號被濾波，消除由噪聲引起的附加音調(diào)，然后再被放大，以提高接收信號電平。在圖2-8中的Modem接收器部分示出的均衡器的作用是測量接收的模擬信號的特征，并針對該信號進行自身調(diào)節(jié)，以盡量減少衰減和延遲對傳送的信號的不同成分的影響。為此，Modem的發(fā)送器在傳送之前要發(fā)送一個短的訓(xùn)練信號。這

17、個訓(xùn)練信號表示對載波的一種預(yù)先定義的調(diào)制，其理想的接收特征是為遠方Modem接收器的均衡器所知的。因此，接收方Modem將調(diào)節(jié)其均衡器，直到接收到可能的最好信號為止。2012年9月21日25授課教師：魯士文 2.1.3 調(diào)制過程話音信號是音調(diào)和強度連續(xù)變化的圖案。當話音信號被一個送話器轉(zhuǎn)化成電信號時，它提供連續(xù)變化的電波。這個電波匹配產(chǎn)生它的聲音的壓力圖案，被稱作模擬信號，因為它相似于連續(xù)變化的聲波。在電話機和本地局交換機之間所傳輸?shù)男盘柺遣捎媚M信號傳輸模擬數(shù)據(jù)的編碼方式。模擬的聲音數(shù)據(jù)是加載到模擬的載波信號中傳輸?shù)?。載波本身是不傳遞任何信息的正弦波，但它的屬性可以根據(jù)要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)改變。被傳

18、輸?shù)臄?shù)據(jù)可以是模擬的聲音數(shù)據(jù)，也可以是計算機或終端產(chǎn)生的數(shù)字數(shù)據(jù)，如果是后者，就被稱作是模擬信號傳輸數(shù)字數(shù)據(jù)的編碼方式。調(diào)制過程改變載波信號的屬性。由于載波是正弦波，它可以表示成a=Asin(2ft+),這里的a是在時間t電壓的瞬時值，A是最大振幅，f是頻率，是相位。2012年9月21日26授課教師：魯士文 2.1.3 調(diào)制過程載波可以被改變的屬性對于振幅調(diào)制（AM: Amplitude Modulation）是載波的振幅，對于頻率調(diào)制（FM: Frequency Modulation）是載波的頻率，對于相位調(diào)制（PM: Phase Modulation）是載波的相角。振幅調(diào)制最簡單的方法是改

19、變信號的振幅，用0電平表示二進制0，用一個固定的峰值到峰值的電壓表示二進制1。圖2-10示出的是使用振幅調(diào)制把一個數(shù)字流編碼成一個適當?shù)哪M信號序列。雖然純粹的振幅調(diào)制通常只用于非常低的數(shù)據(jù)速率，但它也跟相位調(diào)制結(jié)合普遍用于高速數(shù)字數(shù)據(jù)流的調(diào)制。2012年9月21日27授課教師：魯士文 2.1.3 調(diào)制過程 2012年9月21日28授課教師：魯士文 2.1.3 調(diào)制過程頻率調(diào)制考慮的是在一個給定的振幅上信號如何頻繁地自我重復(fù)。它在數(shù)字領(lǐng)域最早的使用是在低速Modem的設(shè)計中，當輸入數(shù)據(jù)從二進制1變成二進制0或從二進制0變成二進制1時，發(fā)送器從一個頻率轉(zhuǎn)變成另一個頻率。這樣的頻移鍵控（FSK:

20、Frequency Shift Keying）主要適用于以全雙工方式操作的數(shù)據(jù)速率最高達300bps的Modem，以及以半雙工方式操作的數(shù)據(jù)速率最高達1200bps的Modem。圖2-11示出了頻率調(diào)制的信號波形。貝爾系統(tǒng)103/113型Modem是最早使用頻率調(diào)制的一個Modem產(chǎn)品實例。該Modem工作在兩種方式之一：始發(fā)或應(yīng)答。始發(fā)方式Modem通常連接到一個發(fā)起呼叫的終端設(shè)備，而應(yīng)答方式Modem通常連接到在公用交換電話網(wǎng)上應(yīng)答呼叫的計算機。1170 Hz和2125 Hz是該Modem使用的兩個中心頻率，通過頻率劃分得到兩個獨立的數(shù)據(jù)通道，允許在兩線的電話接入電路上進行全雙工傳輸。20

21、12年9月21日29授課教師：魯士文 2.1.3 調(diào)制過程 2012年9月21日30授課教師：魯士文 2.1.3 調(diào)制過程相位調(diào)制是針對信號周期的開始位置改變載波信號的過程（參見圖2-12）。在Modem中使用多種形式的相位調(diào)制，包括單個位和多位的相移鍵控以及振幅調(diào)制和相移鍵控的結(jié)合。在最簡單的情況下，相位調(diào)制就是在輸入數(shù)據(jù)從二進制0變成二進制1或從二進制1變成二進制0時，把正弦波的相位移動180；否則，相位不變，即相移為0；結(jié)果產(chǎn)生如圖2-12所示的波形，它也就是一般意義上的相移鍵控（PSK: Phase Shift Keying）。 2012年9月21日31授課教師：魯士文 2.1.3 調(diào)

22、制過程 2012年9月21日32授課教師：魯士文 2.1.3 調(diào)制過程 2012年9月21日33授課教師：魯士文 2.1.3 調(diào)制過程大多數(shù)克服Nyquist限制的實際方法都是通過在每個信號跳變中放進更多的位來提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俾?，因此，Modem的設(shè)計常常結(jié)合使用多種調(diào)制技術(shù)。一種普遍采用的結(jié)合調(diào)制技術(shù)涉及振幅和相位調(diào)制，并被稱為正交振幅調(diào)制（QAM: Quadrature Amplitude Modulation）。QAM的首次實現(xiàn)有12個相位值，在其中個相位上有兩個振幅值，共產(chǎn)生如圖2-14所示的16種可能的信號狀態(tài)。早期在市場上推出的貝爾系統(tǒng)209 Modem 就采用這種調(diào)制技術(shù)，用24

23、00波特的信號速率實現(xiàn)了9600bps的數(shù)據(jù)傳輸。2012年9月21日34授課教師：魯士文 2.1.3 調(diào)制過程 2012年9月21日35授課教師：魯士文 2.1.3 調(diào)制過程除了結(jié)合兩種調(diào)制技術(shù)，QAM跟先前討論過的調(diào)制方法的另一個不同點是它使用了兩個載波信號,即同相（IP: In-Phase）的余弦載波和作為正交成分(QC: Quadrature Component)的正弦載波，并用不同的信號電平調(diào)制正弦波和余弦波的振幅； 這也是QAM的定義名稱“正交幅度調(diào)制” 的由來。因此QAM是一種雙通道調(diào)制過程。如果畫出如圖2-14所示那樣的表示特定的QAM中所有可能的數(shù)據(jù)采樣，那么所產(chǎn)生的點的序列

24、就可以被看成是該調(diào)制技術(shù)的信號結(jié)構(gòu)。稱呼這些點的另一個常用術(shù)語是星座圖。 2012年9月21日36授課教師：魯士文 2.1.3 調(diào)制過程實質(zhì)上，QAM是用兩個獨立的基帶波形對兩個相互正交的同頻載波進行調(diào)制，利用這種信號在同一帶寬內(nèi)頻譜正交的性質(zhì)來實現(xiàn)兩路并行的數(shù)字信息傳輸。仍以16QAM為例，要發(fā)送的4比特信息被映射為星座圖中的16個點之一。對于4比特信息來說，具有16個點的星座圖中的每種比特組合都可用x-y坐標系中的一個唯一的點來表示。每個4比特組合所對應(yīng)的x和y值指定了將要在信道上發(fā)送的正弦波和余弦波的振幅。在接收端，載波的正交性允許解調(diào)器對兩路信息分別解調(diào)。檢波器對二維的復(fù)用信號進行檢測

25、，并將它們映射回比特數(shù)據(jù)流。圖2-15示出了一個采用QAM的Modem的發(fā)送器的簡化方框圖。編碼器操作串行數(shù)據(jù)流的4比特，并產(chǎn)生將要被調(diào)制的兩個載波，即同相的余弦載波IP和作為正交成分的正弦載波QC。然后，IP和QC相加，產(chǎn)生傳送信號，在x-y坐標中每個點表示對余弦載波和正弦載波的具體調(diào)制水準。2012年9月21日37授課教師：魯士文 2.1.3 調(diào)制過程 2012年9月21日38授課教師：魯士文 2.1.3 調(diào)制過程 2012年9月21日39授課教師：魯士文 課間休息 2012年9月21日40授課教師：魯士文 2.2 ADSLADSL（Asymmetric Digital Subscribe

26、r Line,不對稱數(shù)字用戶線）是一種利用現(xiàn)有的傳統(tǒng)電話線路高速傳輸數(shù)字信息的技術(shù)。該技術(shù)將大部分帶寬用來傳輸下行信號（即用戶從網(wǎng)上下載信息），而只使用一小部分帶寬來傳輸上行信號（即用戶向服務(wù)器上傳的信息），這樣就出現(xiàn)了所謂不對稱的傳輸模式。 2012年9月21日41授課教師：魯士文 2.2 ADSL電話線路接入Modem的數(shù)據(jù)速率被限制到一個較低水準的原因是因為電話系統(tǒng)是為傳送話音設(shè)計的，整個系統(tǒng)都針對這一目標仔細優(yōu)化，在本地回路終止的電話局一端，導(dǎo)線連進一個濾波器，該濾波器濾掉了低于300Hz和高于3400Hz的所有頻率。實際上，截止不是陡然發(fā)生的，300Hz和3400Hz都是3dB點，因

27、此，雖然在這兩個3dB(10log1023)點之間的距離是3100Hz，但通常都把帶寬說成是4000Hz。接入Modem的數(shù)據(jù)傳輸也被限制到這個窄的帶寬。ADSL把本地回路連接到不同的交換機，其中沒有上述的過濾器，因此可以使用本地回路可提供的全部帶寬，大約等于1.1MHz。2012年9月21日42授課教師：魯士文 2.2 ADSL與傳統(tǒng)傳輸技術(shù)相比，ADSL是一種寬帶調(diào)制解調(diào)器技術(shù)。ADSL系統(tǒng)可提供3條信息通道，即高速下行信道（從電話局到用戶）、上行信道（從用戶到電話局）和普通電話業(yè)務(wù)信道。下行和上行數(shù)字信號可與傳統(tǒng)電話信號在同一對雙絞線上共存而不互相影響?，F(xiàn)實的ADSL可提供1.5Mbps

28、至9Mbps的下行傳輸速率，以及640kbps 至1.536Mbps的上行傳輸速率。具體的數(shù)據(jù)速率跟線路的長度有關(guān)。按照ANSI T1.143規(guī)范，ADSL在傳輸距離是2.73.7km時下行速率為68Mbps，上行速率為1.5Mbps；在傳輸距離是4.55.5km時下行傳輸速率降為1.5Mbps，上行速率為64kbps。 2012年9月21日43授課教師：魯士文 2.2.1 ADSL接入網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備配置ANSI的ADSL標準采用稱作離散多音頻（DMT, Discrete Multi-Tone）的線路編碼技術(shù)。如圖2-17所示，ADSL把在本地回路上可提供的1.1MHz頻譜劃分成256個獨立的子通

29、道，每個子通道的帶寬為4312.5Hz。子通道0用于普通電話業(yè)務(wù)。為了保持模擬話音信號和數(shù)字數(shù)據(jù)信號隔離，防止互相干擾，子通道15不使用。在其余的250個子通道中，1個用于上行控制，1個用于下行控制，剩下的248個子通道可用于用戶數(shù)據(jù)。 2012年9月21日44授課教師：魯士文 2.2.1 ADSL接入網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備配置 2012年9月21日45授課教師：魯士文 2.2.1 ADSL接入網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備配置原則上，250個子信道中的每一個都可用于全雙工數(shù)據(jù)流，但由于諧波、噪音、串音和其他效應(yīng)使得實際系統(tǒng)的帶寬利用遠小于理論限制值。250個子信道中(共256個子信道,子通道0用電話，15作為隔離區(qū)不使用)

30、子信道6至30用于上行數(shù)據(jù)傳送和控制。其中，1個子信道用于控制，24個子信道用于數(shù)據(jù)傳輸。如果有24個子信道，每個使用4kHz（來自4312.5Hz的可用帶寬），采用QAM調(diào)制，每波特最多可調(diào)制15比特，即60kbps，那么在上行方向上可以有24400015即1.44Mbps的帶寬。然而，在通常情況下速率都低于500kbps，因為一些載波因所在頻率附近噪音大而被取消，也就是說，有一些子信道不能使用。2012年9月21日46授課教師：魯士文 2.2.1 ADSL接入網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備配置子信道31至255（225個子信道）用于下行數(shù)據(jù)傳送和控制。其中，1個子信道用于控制，224個子信道用于數(shù)據(jù)傳輸。如果

31、有224個子信道，每個使用4kHz（來自4312.5Hz的可用帶寬），采用QAM調(diào)制，每波特最多可調(diào)制15比特，即60kbps，那么在下行方向上可以有224400015即13.4Mbps的帶寬。然而，在通常情況下速率都低于8Mbps，因為一些載波因所在頻率附近噪音大而被取消，也就是說，有一些子信道不能使用。2012年9月21日47授課教師：魯士文 2.2.1 ADSL接入網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備配置圖2-18示出了典型的ADSL設(shè)備配置。電話公司的技術(shù)員在用戶室內(nèi)安裝一個網(wǎng)絡(luò)接口設(shè)備（NID）來在電信部門設(shè)備與用戶室內(nèi)設(shè)備之間提供隔離。這個小設(shè)備（也可以是包含它的另一個設(shè)備，例如分離器）標志電話公司設(shè)備的終

32、點，也是客戶設(shè)備的起始位置。緊挨著NID的是一個分離器，它是一個模擬過濾器，把普通電話使用的04000Hz頻段跟數(shù)據(jù)頻段分離開來。電話信號被路由到現(xiàn)有的電話機，數(shù)據(jù)信號被路由到一個ADSL Modem。ADSL Modem使用DMT調(diào)制和解調(diào)數(shù)據(jù)，建立下行和上行通道。ADSL Modem實際上是一個數(shù)字信號處理器，起著250個QAM Modem的作用，并行地運行在不同的頻率。由于現(xiàn)有的大多數(shù)ADSL Modem都是外接設(shè)備，計算機必須通過高速端口連接到它，通常就是在計算機中插入一個以太網(wǎng)卡，并連接一個僅包含計算機和ADSL Modem的兩節(jié)點以太網(wǎng)。2012年9月21日48授課教師：魯士文 2

33、.2.1 ADSL接入網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備配置 2012年9月21日49授課教師：魯士文 2.2.1 ADSL接入網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備配置在電話線路的另一端，即電話端局，相應(yīng)地也安裝一個分離器。在這里，本地回路被端接到主配線架。主配線架是端接通往許多用戶住處的銅線回路的中心點。對于ADSL來說，對應(yīng)每個本地回路，都有一對導(dǎo)線連接到電話局一側(cè)的分離器。端局的分離器實際上是由一組分離器構(gòu)成，具有ADSL服務(wù)的每個回路都使用一個分離器。從每個分離器引出兩對線，第一對線接入話音交換機，提供常規(guī)的電話服務(wù)；第二對線接入端局中一個稱作DSLAM（Digital Subscriber Line Access Multiplex

34、er,數(shù)字用戶線接入復(fù)用器）的新設(shè)備，該設(shè)備包含跟ADSL Modem同樣種類的數(shù)字信號處理器。分離器把信號的話音部分過濾出來，送往常規(guī)的話音交換機,并把25kHz以上的信號送往DSLAM。一旦信號被恢復(fù)成比特流，就可以從其建立分組，發(fā)往ISP。2012年9月21日50授課教師：魯士文 2.2.2 ADSL調(diào)制技術(shù)和傳輸機制由于傳輸衰減和傳輸速度都隨頻率變化，因此我們不希望在傳輸信號中包含廣大范圍的頻率。不幸的是，在數(shù)字信號中使用的方波具有很寬的頻帶，因此容易遭受顯著的衰減和延遲失真。這些效應(yīng)使得基帶信號只適用于較短的距離或較低的速率。為了能夠在較長的距離上取得較高的數(shù)據(jù)傳輸速率，ADSL采用

35、了一種模擬信號傳輸數(shù)字數(shù)據(jù)的編碼技術(shù)，即DMT調(diào)制。2012年9月21日51授課教師：魯士文 2.2.2 ADSL調(diào)制技術(shù)和傳輸機制DMT(離散多音頻)是一種正交多載波通帶線路編碼技術(shù)。它的基本原理是把可用帶寬分成N個獨立的、等寬的子信道，根據(jù)子信道的特性（如信噪比、衰減等），即傳送數(shù)據(jù)的能力，把輸入數(shù)據(jù)自適應(yīng)地分配到每一個子信道上。如果某一個子信道噪音干擾嚴重，無法承載數(shù)據(jù)，就簡單地將其關(guān)閉；而對于那些能夠傳送數(shù)據(jù)的子信道，則根據(jù)其瞬時特性，在一個碼元包絡(luò)內(nèi)傳送115位信息。2012年9月21日52授課教師：魯士文 2.2.2 ADSL調(diào)制技術(shù)和傳輸機制在每個子信道中，DMT采用不同星座點數(shù)

36、的QAM調(diào)制，星座圖編碼器的輸出仍將是余弦和正弦波。N越大，子信道帶寬就越小，它們的傳輸函數(shù)就越接近理想情況（幅頻平坦，相頻線性），可以做到無碼間干擾傳輸，充分發(fā)掘每個子信道的能力，充分利用每一段的頻譜資源，從而達到接近仙農(nóng)極限的傳輸速率。由于子信道間相互獨立，DMT可以根據(jù)各個子信道的特性動態(tài)地調(diào)整數(shù)據(jù)傳輸速率。DMT依據(jù)各個子信道的信噪比，安排相應(yīng)的符號傳輸速率。在信道的低頻端，信號的衰減較少，信噪比較大，QAM星座可以較密集，一般為10比特/Hz或更多。在頻率特性較惡劣的子信道，調(diào)制率一般是4比特/Hz或更少。2012年9月21日53授課教師：魯士文 2.2.2 ADSL調(diào)制技術(shù)和傳輸機

37、制為對抗隨機的脈沖干擾，分配比特時一般都要留一定的信噪比富裕量，而且收發(fā)信機必須對線路進行測試，然后采取相應(yīng)措施，補償串音或干擾造成的性能下降，比如，當有單頻干擾時，可將被干擾的子信道關(guān)閉，從而不影響其他子信道的正常工作。子信道中除了采用QAM技術(shù)外，還采用回音消除技術(shù)和前向糾錯 ，以提高所傳輸信號的性能。DMT面臨的主要問題是如何適應(yīng)不同電話線路之間性能的較大差異。QAM在信號狀態(tài)很多時，對信道畸變和選擇性衰減都很敏感，需要采用多種信道線性化措施和均衡措施。在ADSL系統(tǒng)中，為獲得較理想的工作特征，一般均采用自適應(yīng)均衡器補償由傳輸信道引起的失真，要求解調(diào)時有與發(fā)送端相同頻譜和相位特性的信號，

38、這就造成了ADSL系統(tǒng)的高復(fù)雜性。2012年9月21日54授課教師：魯士文 2.2.2 ADSL調(diào)制技術(shù)和傳輸機制在一般情況下，在發(fā)送和接收信號之間會產(chǎn)生干擾。但回波消除技術(shù)在Modem中注入了智能，使得Modem能夠把其發(fā)送信號跟接收到的信號區(qū)別開來，從而可以消除它本身發(fā)送的信號對其接收器的影響?；夭ǖ窒娐繁４姘l(fā)送信號的副本，可以從混合信號中抵消本端的發(fā)送信號，從而可取出本端所需的接收信號。2012年9月21日55授課教師：魯士文 2.2.2 ADSL調(diào)制技術(shù)和傳輸機制ADSL協(xié)議的功能是分層的，在協(xié)議的最低層，在ATU-C （ADSL Transmission UnitCentral O

39、ffice：ADSL局端傳送單元）和ATU-R (ADSL Transmission Unit, Remote side： ADSL遠端傳送單元)之間使用線路編碼DMT來傳送每個符號的若干比特，這些比特被組幀后再進一步被組織成ADSL復(fù)幀，非常類似于T1的物理傳輸幀和復(fù)幀。2012年9月21日56授課教師：魯士文 2.2.2 ADSL調(diào)制技術(shù)和傳輸機制ADSL系統(tǒng)中的ADSL接口可以支持用戶要求的一個單獨的比特流，還可以像其他一些傳輸方式那樣按幀傳輸。ADSL幀內(nèi)的字節(jié)流最多可以同時分成7個承載信道，可以把承載信道看作是由ADSL系統(tǒng)透明傳送的載有一種承載業(yè)務(wù)的特定速率的用戶數(shù)據(jù)。需要注意的是

40、，這些承載信道都是邏輯信道，屬于所有承載信道的比特都被復(fù)用在同一物理鏈路上，所有承載信道的數(shù)據(jù)是同時在一條ADSL鏈路上傳輸?shù)摹?012年9月21日57授課教師：魯士文 2.2.2 ADSL調(diào)制技術(shù)和傳輸機制ADSL中最多可有4個完全獨立的單工承載信道（AS0、AS1、AS2和AS3）和3個雙工承載信道（LS0、LS1和LS2）。3個雙工承載信道可以交替地配置成獨立的單向單工承載信道，兩個方向（上行和下行）承載信道的速率不需要匹配；其中的1個信道是必備的控制信道。在實際應(yīng)用中，這些雙工承載信道一般用于上行方向傳輸。除了單工（下行流）和雙工（上、下行流，主要是上行流）承載信道，ADSL系統(tǒng)可以傳

41、送的總的比特率還應(yīng)包括系統(tǒng)開銷部分，即信頭部分。ADSL信頭可以完成許多功能，其中包括單工和雙工承載信道的同步能力，讓ADSL鏈路兩端知道如何配置鏈路、鏈路的速率是多少以及如何在ADSL幀流中定位它們；也包括循環(huán)冗余檢驗（CRC：Cyclic Redundancy Check）和用于操作、管理和維護的指示比特等。2012年9月21日58授課教師：魯士文 2.2.2 ADSL調(diào)制技術(shù)和傳輸機制在ADSL鏈路上傳輸?shù)谋忍亓?，有的表示對時延敏感的音頻和視頻服務(wù)，有的表示W(wǎng)eb頁面訪問，其他的表示文件傳輸、電子郵件等。因此，ADSL規(guī)范定義了兩大主要的比特類，即時延敏感的比特和時延不敏感的比特。與此對

42、應(yīng)的有兩種數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，即快速數(shù)據(jù)緩沖區(qū)（低時延數(shù)據(jù)緩沖區(qū)）和交織數(shù)據(jù)緩沖區(qū)。術(shù)語“交織”指的是錯誤保護，而不是指傳輸設(shè)備如何對緩沖區(qū)提供服務(wù)。在本來的含義上，交織是解決突發(fā)性錯誤的一種方式。待發(fā)送的碼元首先按照逐行的順序存入一個矩陣，待矩陣填滿之后，再按照逐列的順序讀出發(fā)送。在接收端，首先把接收到的信號按照逐列的順序存入相同大小的矩陣，待矩陣存滿之后，再按照逐行的順序讀出。2012年9月21日59授課教師：魯士文 2.2.2 ADSL調(diào)制技術(shù)和傳輸機制如果在傳輸過程中有一個突發(fā)性錯誤，它會在傳輸中形成對連續(xù)幾個符號周期的破壞，這個破壞的長度稱為突發(fā)程度。由于信道中傳輸?shù)臄?shù)據(jù)是按照矩陣逐列的順序

43、進行的，因此，突發(fā)性錯誤會按照逐列的順序破壞傳輸符號。這樣，被破壞的符號在接收機中被按照逐行的順序讀出時沒有連在一起，而是被隔離成一個個單獨的錯誤，從而可以用比較簡單的檢查或糾正單個錯誤的方法來檢查或糾正傳輸差錯。在ADSL通道中，時延敏感的比特一般都直接傳輸而不經(jīng)過緩沖，而其他時延不敏感的比特則停留在交織緩沖區(qū)內(nèi)，直到ADSL幀有地方傳輸它們。 2012年9月21日60授課教師：魯士文 2.2.2 ADSL調(diào)制技術(shù)和傳輸機制ATU-C發(fā)送器的復(fù)用和同步控制模塊把最多4路單工信道和3路雙工信道的數(shù)據(jù)混合在一起，并與4kHz的ADSL DMT碼元速率保持同步。混合數(shù)據(jù)根據(jù)快速信道和交織信道的速率

44、配置，將不同數(shù)量的數(shù)據(jù)分配到2個獨立的數(shù)據(jù)緩存器（快速緩沖區(qū)和交織緩沖區(qū)）中，然后在每個緩沖區(qū)中分別加入循環(huán)冗余碼、擾碼和前向糾錯碼。此外，在交織緩沖區(qū)中還要對輸入數(shù)據(jù)進行交織處理，以對抗突發(fā)性干擾。之后，2路數(shù)據(jù)流進行載波排序，并合成1路數(shù)據(jù)流進入星座編碼器。最后，數(shù)據(jù)被調(diào)制成模擬信號，在用戶環(huán)路上傳輸。DMT碼元（即1個數(shù)據(jù)幀）的邊界由調(diào)制器插入的循環(huán)前綴來決定，復(fù)幀邊界由同步碼決定，同步碼也由調(diào)制器插入。復(fù)幀中的每一個ADSL數(shù)據(jù)幀經(jīng)編碼和調(diào)制，形成一個多載波的DMT碼元。2012年9月21日61授課教師：魯士文 2.2.2 ADSL調(diào)制技術(shù)和傳輸機制在ADSL中，68個連續(xù)的ADSL幀

45、（幀0到幀67）構(gòu)成一個ADSL復(fù)幀。ADSL復(fù)幀每17毫秒傳送1次(250s68=17ms) ?？偟腁DSL復(fù)幀結(jié)構(gòu)如圖2-19所示。有的幀有特殊的功能，例如幀0和幀1攜帶錯誤控制信息，（即循環(huán)冗余檢驗CRC）和管理鏈路的指示比特，其他的指示比特在幀34和幀35中傳送。在復(fù)幀形成時，附加進來的數(shù)據(jù)有3種：復(fù)幀的同步碼、68個數(shù)據(jù)幀的CRC檢驗碼和24個指示比特。除同步碼是單獨添加了1個碼元外，其他2種數(shù)據(jù)都是插入到原來的數(shù)據(jù)幀中第1個字節(jié)的位置，即fast和sync字節(jié)。2012年9月21日62授課教師：魯士文 2.2.2 ADSL調(diào)制技術(shù)和傳輸機制 2012年9月21日63授課教師：魯士文 2.2.2 ADSL調(diào)制技術(shù)和傳輸機制緊接著復(fù)幀的是一個不攜帶用戶信息的同步碼，它在ADSL復(fù)幀的68個幀之后發(fā)送，其用途是保持同步。由于68個數(shù)據(jù)幀加1個同步碼，共有69幀（17毫秒），為了保證用戶數(shù)據(jù)的DMT碼元速率為4000波特（周期為250微秒），所以每幀實際占用時間是246微秒（ 250s68=17ms ，246s69=17ms）。在復(fù)幀內(nèi)是ADSL幀本身，一個ADSL幀每隔246微秒（250s4000=1s, 所以每秒大約4000幀）發(fā)送一次（發(fā)送一個復(fù)幀需要246微秒69=17