ADSL编码调制基本原理- For BaiDu

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。

2 ADSL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：C?BLog2(1?S)。 N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，ADSL modem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，ADSL modem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2-1 ADSL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4k symbol/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*4k symbol/s。

图2-2 ADSL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(“FAST BYTE”)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“FAST BYTE”，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“FAST BYTE\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（Cyclic Redundancy Check）

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G(D)?D8?D4?D3?D2?1，确定了生成

8CRC(D)?M(D)DmodG(D)得到任意数据的CRC多项式之后就可以根据公式

校验码。

对于一个信息多项式，M(D)?m0DK?1?m1Dk?2???mK?1，

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G(D)，所得余式即为CRC校验多项式，可以写做：

CRC(D)?M(D)D8modG(D)

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：dn?dn?dn?18?dn?23

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