ADSL编码调制基本原理-ForBaiDu

ADSL编码调制基本原理1概述数字用户线路，简称DSL。迄今为止，世界各国已相继开发出了HDSL（高比特率数字用户线）、SDSL（对称数字用户线）、VDSL（甚高速数字用户线）、ADSL（非对称数字用户线）与RADSL（速率自适应数字用户线）等多种不同类型的DSL接入技术。我们将它们统称为“xDSL”，xDSL接入技术的基础系统架构与原理基本上是相似的，所不同的只是这几种技术在信号传输速率与距离、具体实现方式及上、下行速率的对称性等方面有所区别而已。xDSL是一种先进的传输技术，基本原理就是将模拟环路改造成数字用户线环路，在现有的铜质电话线路上采用较高的宽带和相应的调制技术，来获得高传输速率（理论上可达到100Mbps），正是为克服到用户“最后一公里”的传输瓶颈而产生的。其中ADSL是前景最好及竞争力最强的，也是电信公司占领宽带接入网市场的主要接入技术。它允许在一对双绞铜线上，不影响现有POTS电话业务的情况下，进行非对称高速数据传输。利用现有双绞线传输宽带业务，可保护投资、降低成本，特别适于大量分散的住宅用户，因此被广泛用于Internet接入、远端LAN接入、视频点播(VOD)、远程教学、多媒体检索等宽带业务的接入与传输。编码调制技术是ADSL技术的核心，也是本文关注的重点。2ADSL编码调制技术我们知道，普通modem是工作在音频范围内，即300~3,400Hz的频段。根据香农公式：2(1)SCBLogN。对于带宽3000Hz、信噪比((SNR)为30dB的信道，普通modem最大传输速率也只能达到30Kbit/s。与普通modem不同，ADSLmodem是利用双绞线的远大于音频带宽的资源（接近2M带宽），采用现代数字信号处理技术和数字编码调制技术，通过动态的建立线路的信噪比模型来使线路利用率最佳。虽然话音只需要4KHz的带宽，但上行信道开始处频率越低，分离器的设计就越困难，所以一般都是选在25.875kHz。分离器实际上是由低通滤波器和高通滤波器合成的设备，为简化设计和避免馈电的麻烦，通常采用无源器件。ADSL中上行信道带宽为138kHz，这个频段具有良好的传输衰减特性，当然也存在着来自ISDN.DSL和HDSL的串音。在频分复用模式时，下行信道频率一般起始于250kHz处，其最高频率根据传输速率、线路特性及调制方式决定。在回波抵消方式（EC）中，上下行频带是重叠的，其优点是下行信道可利用带宽增加了，但同时也增加了系统设计的复杂性。在ADSL的应用当中，ADSLmodem的硬件体系结构大致是由线路接口(RJ-11口)、接收滤波、线路驱动、模拟前端以及DMT收发器这几个模块组成。在信号接收端，将电话线上的模拟信号通过接收滤波器送到接收部分进行滤波，信号放大，经A/D变换，转换成数字信号，经过一系列的数字信号处理，转换成原始数据。而在发送信息时，将二进制数据进行CRC循环冗余校验编码，扰码，子带排序，星座映射，IFFT变换，将频域信号转换为时域信号，经过D/A变换，线路放大，发送滤波，由RJ-11接口输出至电话线上进行模拟传输。其中发送数据进行的数字信号处理部分如图2-1所示，在接收数据时所进行的数字信号处理部分与图2-1的箭头方向相反。图2-1ADSL数据编码调制部分框图其中复用和同步控制模块是用来收集由ATM传输汇聚层(TC)来的数据，将它们分配到快速和交织两个通道，至于数据如何在快速和交织两个通道中分配，是在初始化的时候，根据具体的应用来进行的。一般对所需的时延小的，实时数据的传输走快速通道，而相对时延要求不是那么严格的，且要求误码率较高的数据就走交织通道，快速数据缓存和交织数据缓存大小的确定是在初始化的时候完成的。这两路数据分别经过CRC变换，扰码和前向纠错编码后，快速通道的数据送到快速缓存而交织通道的数据在交织缓存中进行数据交织以后组成一帧数据进行子带排序，星座映射和增益控制，通过IFFT变换来完成数据的调制，将频域信号变换成时域信号，经过D/A变换到电话线上进行传输。对于ATU-R(用户端modem)，发送上行数据，所用的子带数目为N=32，而对于ATU-C(局端modem)，发送下行数据，所用的子带个数为N=480。图中在A,B,C三个参考点上，数据帧具有不同的形式和结构。A(复用数据帧)：加入了CRC字节，经复用同步处理后的数据帧，以4kHz的平均速率产生。B(前向纠错输出数据帧)：以DMT符号速率、由前向纠错编码器产生的数据帧。C(星座编码输入数据帧)：送入星座编码器的数据帧。ADSL系统使用如图2-2所示的超帧结构，每个超帧由68个ADSL数据帧和一个同步帧组成，ADSL数据帧被编码调制成一个DMT符号，然后由调制器插入一个同步DMT符号，它不携带任何用户信息，用来确定超帧的边界。为了以4ksymbol/s的速率来传送ADSL数据帧，则DMT符号的传输速率必须为69/68*4ksymbol/s。图2-2ADSL系统的超帧结构上图2-2中，每个超帧中有8个比特(crc0~crc7)用于快速数据缓冲区的循环冗余校验，同样，也有8个比特用于交织缓冲区的循环冗余校验，24个指示比特ib0~ib23用于OAM(操作，维护和管理)功能，每个超帧中第一帧的快速和交织缓存中的SYNC字节要用来做CRC字节，快速缓存中的第1，34，35帧中的快速同步字节(“FASTBYTE”)要用来携带ib0～ib23的指示位。指示位主要是用来指示线路状况，其余帧的“FASTBYTE”，如果以0作为字节的结尾，表示此字节为同步字节，如果以1作为字节的结尾，则表示此偶数帧和下一个奇数帧的“FASTBYTE携带了EOC信息。交织缓存中的其余帧(1～67)的同步字节作为分配给交织数据缓存区的承载信道的同步控制和用于ADSL开销控制信道(AOC)。每个数据帧编码后成为一个DMT符号，而数据帧是由快速数据缓冲区和交织数据缓冲区的数据组成的，在不同的参考点(A,B,C)上，数据帧有不同的形式，在进入星座编码器的数据帧中，每个帧的前一部分是来自快速缓冲区的数据，而后一部分是来自交织缓冲区的数据。2.1循环冗余编码（CyclicRedundancyCheck）循环冗余校验码(CRC)，因编码简单且误判概率很低，在通信系统中得到了广泛的应用。CRC编码和FEC编码一样，它们都是用来差错控制的，不同的是作用的范围不一样。CRC是用来监控一整个超帧的，而FEC编码作用的范围要小的多；另外它们的功能也不一样，CRC主要用来验证是否出错，但FEC的功能除了要查错还必须把查出的错纠正过来。本文按照G992.1标准设计的CRC模块，实现方式是：在发送端，CRC编码器根据生成多项式对每一个复帧计算出一个8bit的CRC，然后放在下一个复帧的第一个数据帧中传输。在接收端，CRC编码器根据同一个生成多项式计算出CRC，然后和发送端传输过来的CRC进行比较。如果两个CRC相同，则说明传输过程中没有出现错误位；反之，若不同，则表明传输过程中发生了错误位。G992.1标准中给定了生成多项式1)(2348DDDDDG，确定了生成多项式之后就可以根据公式)(mod)()(8DGDDMDCRC得到任意数据的CRC校验码。对于一个信息多项式，12110)(KkKmDmDmDM，CRC循环冗余校验字节的产生方法是将信息多项式左移八个单位，并除以生成多项式)(DG，所得余式即为CRC校验多项式，可以写做：)(mod)()(8DGDDMDCRC注：G992.5标准设计的CRC模块采用16bit的CRC。2.2扰码(Scrambler)加扰的作用是在信号进入线路之前，对那些长串0或1或周期变化的信号做处理，让它们尽量具有随机性。因为有周期规律的编码（周期变化，连续的0或1）会对线路造成一定的危险，可能对相邻的其他线路造成干扰，并且容易引起对端定界方面的错误或困难。快速和交织数据分别经过CRC校验后的输出要经过加扰来增加其随机性，其变换算法为：'''1823nnnnddddnd为扰码器第n时刻的输入位，'nd为第n时刻的扰码器的输出。扰码器的结构如下图所示：图2-3扰码器结构在接收端将输出和输入互换，就可以得到原来的数据了。2.3前向纠错(ForwardErrorCorrection)CRC的主要功能是验证数据的正确性，FEC编码的功能是不仅要验错还要纠错。纠错机制有好多种，一种是数据到了对端通过自身来查验并纠正，另一种是数据到了对端只查验是否有错误再重传。它们可以适用于不同的场合。对于前者就是FEC（前向纠错），它比较适合于实时性的业务，因为这些业务不能容许重传带来的延迟。但同时FEC带来的冗余也比较大，从冗余来看似乎是在牺牲带宽为代价，但从另一种角度来看，如果线路采用重传机制，重传带来的带宽浪费也许比FEC的冗余还要多，这是在变相的增加带宽。在T1.413Issue2标准中，ADSL采用RS(Reed-Solomon)编码作为前向纠错码，它也是循环编码的一种。对于快速缓存，每个RS码字中，对于快速缓存，0,2,4,6,8,10,12,14,16,1FRS，对于交织缓存，0,2,4,6,8,10,12,14,16,1,2,4,8,16IRS且IR必须为S的整数倍，交织深度为1,2,4,8,16,32,64D。R个冗余字节01,21,RCCCC附加在K个信息字节01,21,kMMMM后面，构成一个RS码字，其长度为NKR。R个冗余字节是通过如下算法产生的：()()mod()RCDMDDGD其中：12110)(KkKmDmDmDM，()MD为原码多项式，()CD为校验多项式，()GD为生成多项式。取本原多项式8432()1PDDDDD，记伽罗华域GF(256)，为域中本原元素，RS码的生成多项式可以由下式算出：()(),0,,1iGDDiR，RS码的校验多项式()CD可以由原码多项式左移S个单位，被()GD)除，所得的余式。对于GF(256)，RS码的最大长度为255字节。这也使得ADSL单延迟通道的下行信道最大速率为8Mbit/s。2.4交织前面提到的FEC编码已经具备很强的纠错能力，但实际的线路是无法预测的，而FEC编码的纠错能力又是有限的，如果突然线路噪声很严重，造成比较长的连续比特错，这时靠FEC编码本身已经无能为力，交织就是来解决这个问题的。交织都是通过横向输入纵向输出再在对端纵向输入横向输出来实现的，就是把多个有FEC编码的比特序列间隔发送，到了接收端，再监视，发现一个有FEC的完整序列就取出来。这样如果在线路上遇到噪声产生了连续的比特序列错，实际上它们已经被分散到了各个具有FEC编码的比特序列，各自的FEC编码应该能够足够处理被分散的错误比特，如果还不行，线路非常恶劣，可以通过增加纵向深度来增加错误比特的分散度，变相地来增加纠错能力，其中的纵向深度就是常说的交织深度。交织缓冲区的数据经过RS编码后，Reed-Solomon码字输出还要进行数据交织，这是由于后面要进行的网格编码对成块的噪声的抵抗能力较差，交织的目的是让误码分散。交织深度必须为2的指数。对于RS码字中的N个字节01,21,,,NNBBBB，交织是让每个字节的延迟时间与字节的下标呈线性关系。也就是说第I个字节的延迟时间为(1)DI个字节。D为交织深度。如果5,2ND，其交织的输入输出如下表所示：其中jiB为第i个码字的第j个字节。表1N=5,D=2的数据交织举例由上面定义的数据交织规则，选定了交织深度(2的指数方)，当N为奇数时，从交织器输出的每个字节都可以占据唯一的时隙，当N为偶数时，需要在交织器输入的RS码字的开头添加一个空字节，使之成为奇数长度的码字进行交织，在接收时，必须从交织器输出的码字中去掉添加的空字节。2.5子带排序我们知道，电话线的频谱特性是不均匀的，对于频率不同的子带，信道的衰减特性一般是不同的，也就是说不同的子带的信噪比是不均匀的，子带的信噪比越高，则该子带的传输质量就越