ADSL寬帶接入技術的原理和應用

   
    近幾年來, 用戶接入的廣闊市場愈來愈成爲各ISP爭奪的陣地,用戶接入網（從本地電話局到用戶之間的部分）是電信網的重要組成部分，是電信網的窗口，也是信息高速公路的"最後一英里"(the last mile)。爲實現用戶接入網的數字化、寬帶化，用光纖做爲用戶線是用戶網從此發展的必然方向，但因爲光纖用戶網的成本太高，在從此的十幾年甚至幾十年內大多數用戶網仍將繼續使用現有的銅線環路，近年來人們提出了多項過渡性的寬帶接入網技術，其中ADSL（不對稱數字用戶環路）和 HFC (光纖同軸混合網)是最具備競爭力的兩種。

　圖1-1：　 ADSL方式的用戶接入
　ADSL技術能利用現有的市話銅線進行信號傳輸，其最高速率：下行信號（從端局到用戶）爲9Mbps，上行信號（從用戶到端局）爲1Mbps。現有的市話銅線網的用戶數目十分龐大，而ADSL能對現有的市話銅線進行充分的利用，能夠有效地保護原有的網絡資源。
　近年來，Internet以驚人的速度發展，Internet的用戶衆多，分佈普遍，但現有的用戶網所能提供的用戶接入速率過低，難以知足 Internet飛速發展的須要，這正爲ADSL的發展提供了一個機遇。因爲市話銅線如今已與全部的Internet用戶相鏈接，一旦ADSL技術發展成熟，必將成爲各電話公司和Internet用戶的首選方案。
1、　ADSL原理和技術性能
　現存的用戶環路主要由UTP（非屏蔽雙絞線）組成。UTP對信號的衰減主要與傳輸距離和信號的頻率有關，若是信號傳輸超過必定距離，信號的傳輸質量將難以保證。此外，線路上的橋接抽頭也將增長對信號的衰減。
　所以，線路衰減是影響ADSL性能的主要因素。ADSL經過不對稱傳輸，利用頻分複用技術（或回波抵消技術）使上、下行信道分開來減少串音的影響，從而實現信號的高速傳送。
　爲了能夠利用多個信道, ADSL modem採用兩種方式劃分能夠利用的電話線路的帶寬:FDM技術(Frequency Division Multiplexing)或回波抵消技術（Echo Cancellation）技術. 如圖1-2示. FDM方式將頻帶劃分爲上行部分和下行部分, 下行通道在被時分複用(Time Division Multiplexing)爲一個或多個高速信道和低速信道; 而上行通道也會被複用爲相應的低速信道。
　回波抵消技術（Echo Cancellation）使上行通道和下行通道在頻帶上的重疊部分相互抵消，經過本地的回波抵消技術能夠有效地分開上、下行信道，減少串音對信道的影響，從而實現信號的高速傳送。這種技術已應用於V.32和V.34協議的modem產品中。　

圖1-2 　FDM技術和回波抵消技術原理示意圖
　衰減和串音是決定ADSL性能的兩項標準損傷。傳輸速率越高，它們對信號的影響也越大，所以ADSL的有效傳輸距離隨着傳輸速率的提升而縮短。附表列出了正常狀況下24號線規UTP的下行速率和有效傳輸距離的關係。表中的VDSL是甚高速ADSL。雖然VDSL的有效傳輸距離比ADSL更短，可是在 VDSL光纖到路邊(FTTC)或光纖到大樓(FTTB)後，VDSL可用於大樓內部辦公室或家庭間的鏈接。
　ADSL接入網線路長度若爲 5.5km，則可覆蓋80%以上的現有電話用戶；線路長度若爲3.7km，則可覆蓋50%以上的現有用戶，用戶小區之外的分散用戶可經過基於光纖的集線器節點接入到網絡中。串音噪聲一般是穩定的，所以比較容易對其進行研究並加以克服；而衝擊噪聲在頻率、週期、相位等方面都是隨機的，對期難以建模和研究。
2、ADSL系統的接入方式和接入模型
如下爲ADSL系統鏈接方式的功能模塊圖。

圖1-3 ADSL系統鏈接方式的功能模塊圖
　Server: 應用服務器 Internet:IP互聯網 CORE Network: 骨幹網絡(通常爲ATM骨幹網)
　ADSL: 在局端的部分爲ADSL局端設備, 在用戶端的爲ADSL用戶端設備
　Existing Copper:鏈接用戶端和局端的普通雙絞銅線.
　ADSL的接入模型主要有中央交換局端模塊和遠端模塊組成。
圖1-4 　ADSL的接入模型
　中央交換局端模塊包括在中心位置的ADSL Modem和接入多路複合系統，處於中心位置的ADSL Modem被稱爲ATU－C（ADSL Transmission Unit－Central）。接入多路複合系統中心Modem一般被組合成一個被稱做接入節點，也被做"DSLAM"（DSL Access Multiplexer）。
　遠端模塊由用戶ADSL Modem 和濾波器組成，用戶端ADSL Modem一般被稱爲ATU－R（ADSL Transmission Unit－Remote）。

圖1-5 　ADSL用戶在用戶端的設備鏈接圖
3、ADSL的調製和解調技術
　目前被普遍採用的ADSL調製技術有3種：QAM(quadatureampli-tudemodulation)、 CAP(carrierlessamplitude-phasemodulation)、DMT(discretemultitone)，其中ＤＭＴ調製技術被ＡＮＳＩ標準化小組T1E1.4制訂的國家標準所採用。但因爲此項標準推出時間不長,目前仍有至關數量的ADSL產品採用QAM或CAP調製技術。
　3.1　QAM調製技術
　QAM調製器的原理圖是發送數據在比特／符號編碼器內被分紅兩路(速率各爲原來的1／2)，分別與一對正交調製份量相乘，求和後輸出。與其它調製技術相比,QAM編碼具備能充分利用帶寬、抗噪聲能力強等優勢。

　圖1-6 　16-QAM調製原理圖
　如圖1-6示。在16-QAM的QAM調製中, 2 bits被編碼表示相位的變化，另外2 bits被用來表示幅度的變化,因此用了4 bits來表示. QAM用於ADSL的主要問題是如何適應不一樣電話線路之間性能較大的差別性。要取得較爲理想的工做特性,QAM接收器須要一個和發送端具備相同的頻譜和相位特性的輸入信號用於解碼,QAM接收器利用自適應均衡器來補償傳輸過程當中信號產生的失真,所以採用QAM的ADSL系統的複雜性主要來自於它的自適應均衡器。
　3.2　CAP調製技術（Carrierless Amplitude Modulation/Phase Modulation）
CAP 調製技術是以QAM調製技術爲基礎發展而來的,能夠說它是QAM技術的一個變種,其調製器原理如圖2所示。輸入數據被送入編碼器，在編碼器內，m位輸入比特被映射爲ｋ＝２ｍ個不一樣的複數符號Ａｎ＝ａｎ＋ｊｂｎ由K個不一樣的複數符號構成k-CAP線路編碼。編碼後ａｎ和ｂｎ被分別送入同相和正交數字×××濾波器，求和後送入Ｄ／Ａ轉換器，最後經低通濾波器信號發送出去。CAP技術用於ADSL的主要技術難點是要克服近端串音對信號的干擾.通常可經過使用近端音串音抵消器或近端串音均衡器來解決這一問題。
　3.3　DMT調製技術
　DMT調製技術的主要原理是將頻帶(0-1.104MHZ)分割爲256個由頻率指示的正交子信道（每一個子信道佔用4KHZ帶寬），輸入信號通過比特分配和緩存，將輸入數據劃分爲比特塊，經TCM編碼後再進行512點離散傅利葉反變換(IDFT)將信號變換到時域，這時比特塊將轉換成256個QAM子字符．隨後對每一個比特塊加上循環前綴（用於消除碼間干擾），經數據模變換(DA)和發送濾波器將信號送上信道．在接收端則按相反的次序進行接收解碼。
　
圖1-7 　DMT調製技術的實例
上圖中，1 MHz的帶寬被分段爲256個4 KHz的子頻帶.每一個子頻帶在發送端用single-carrier調製技術調製，在接收端則接收各子頻帶並將其256路載波整合解調製。因爲美國的 ADSL國家標準(T1.413)推薦使用DMT技術,因此在從此幾年中，將會有越越多ADSL調制解調器採用DMT技術。
業界許多專家都堅信，以ADSL爲主的xDSL技術終將成爲銅雙絞線上的贏家，目前採用普通撥號Modem及N-ISDN技術接入的用戶將逐步過渡到ADSL等寬帶接入方式，並最終實現光纖接入。
4、ADSL設備的安裝
　 ADSL安裝包括局端線路調整和用戶端設備安裝。在局端方面，由服務商將用戶原有的電話線中串接入ADSL局端設備，只需2~3分鐘；用戶端的ADSL安裝也很是簡易方便，只要將電話線連上濾波器，濾波器與ADSL MODEM之間用一條兩芯電話線連上，ADSL MODEM與計算機的網卡之間用一條交叉網線連通便可完成硬件安裝，再將TCP/IP協議中的IP、DNS和網關參數項設置好，便完成了安裝工做。 ADSL的使用就更加簡易了，因爲ADSL不須要撥號，一直在線，用戶只需接上ADSL電源即可以享受高速網上衝浪的服務了，並且能夠同時打電話。

　圖1-8 ADSL的局端線路調整和用戶端設備安裝
　局域網用戶的ADSL安裝與單機用戶沒有很大區別，只需再加多一個集線器，用直連網線將集線器與ADSL MODEM 連起來就能夠了，以下圖所示：
　
圖1-9 　局域網用戶的ADSL設備安裝
　因爲ADSL系統技術較爲複雜，目前製做成本仍然較高，但按目前的發展情況，預計到2001年便可實現ADSL的單片化，芯片價格也會大大下降，加上ADSL接入×××資小、易實現，屆時ADSL定將成爲主要的寬帶接入網技術。


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