（通信与信息系统专业论文）基于st芯片组的外置式adsl远端收发器.pdf

浙江大学硕士学位论文桀于s t 芯片组的外置式a d s l 远端收发器 摘要 a d s l ( 韭塾签麴字用旦萤) 是一种利用现有电话网中的双绞铜线进行高速不对 称数据传硷的技桶( 可以完成方便、经济、标准化的宽带接入，目前其应用正方兴 未艾。a d s l 收发器分a t u r ( 远端设备) 和a t u c ( 局端设备) 两部分，a t u - r 又 分外置式和内置式两种。a d s l 收发器标准主要有g d m t 和g l i t e ，均采用d m t ( 离 散多频) 调制。j 本文主要介绍了a d s l 收发器的工作原理，并具体给出了一种基于s t 公司芯片 py 组的外置式a t u r 的设计。皮章第一章对a d s l 技术的产生背景、发展历史和应用 ， 现状作了简要说明。第二章以g d m t 标准中的a t u - r 为例说明了a d s l 收发器的工 作原理。( 包括d m t 调制原理、帧结构、e o c 信道、初始化过程等。第三章详细介绍 了此种外置式a t u r 的硬件结构，使用s t 公司的a d s l 芯片组( s t l c 6 0 1 3 5 、 s t l c 6 0 1 3 4 ) 进行d m t 调制和模拟前端处理，并嵌入了h a e d o n g 公司的m p c 8 6 0 微处 理器系统板运行所需软件。第四割详细说明了此种a t u r 的软件结构，软件均在p s o s 环境下开发，包括物理层m o d e m 软件和数据链路层a f m 软件的详细介绍，另外还给 出了更高层软件的两种协议栈结构。、一些性能测试也在本章给出。第五章是总结， 、 对今后的工作做了一个展望。 ， 关键词：a d s l ；d m t ：外置式a t u r ；s t 芯片组：m p c 8 6 0 ：p s o s 塑坚盔堂堕生兰垡堡塞 茎王羔_ 型兰些堕丛里茎垒旦坠立型型燮 a b s t r a c t a d s l ( a s y m m e t r i cd i g i t a l s u b s c r i b e rl i n e ) i s a t e c h n i q u e t h a t p e r f o r m s a s v m i n e t r i c h i g h s p e e d d a t at r a n s m i s s i o no nt w o - w i r e t w i s t e dm e t a l l i cc a b l ep a i r s b e c a u s ei tc a r lp r o v i d eas t a n d a r d ，e c o n o m i c a l ，c o n v e n i e n tb r o a d b a n da c c e s s ，a d s l w i l l b ea d p l i e dw i l d l yi nt h ef u t u r e a d s lt r a n s c e i v e rc o n s i s t so f t w op a r t s ：a t u c ( a d s l t e r m i n a lu n i t c e n t e ro f f i c e ) a n da t u r ( a d s lt e r m i n a lu n i t r e m o t e ) t h e r ea r et w o t y p e so f a t u rw h i c ha r et h ee x t e n d e do n ea n dt h ei n t e m a lo n e i t ur e c o m m e n d a t i o n g d m ta n dg l i t ed e s c r i b et h ec h a r a c t e r so fa d s lt r a n s c e i v e r i nw h i c hd m t ( d i s c r e t e m u l t i t o n e ) m o d u l a t i o n i sa d o p t e d t h i sd i s s e r t a t i o nf i r s te x p l a i n st h ep r i n c i p l eo fa d s lt r a n s c e i v e r , t h e np r e s e n t sa n a c t u a ld e s i g no ft h ee x t e m a la t u - rb a s e do ns t sc h i p s e t t h eb a c k g r o u n da n dh i s t o r y a sw e l la sc u r r e n ta p p l i c a t i o na r es u m m a r i z e di nc h a p t e r1 t h ep r i n c i p l e so ft h ea d s l t r a n s c e i v e r , i n c l u d i n gd m t m o d u l a t i o n ，f r a m es t r u c t u r e ，e o cc h a n n e l ，i n i t i a l i z a t i o n ，e t c ， a r eb r i e f l yd e s c r i b e di nc h a p t e r2 ，u s i n gt h ee x a m p l eo fa t u - r i ng d m t i nc h a p t e r3 ，a d e t a i l e dh a r d w a r es t r u c t u r eo ft h ee x t e r n a la t u ri s g i v e n ，w h i c hu s e ss t sc h i p s e t ( s t l c 6 0 1 3 5 ，s t l c 6 0 1 3 4 ) t op e r f o r md m t m o d u l a t i o na n da n a l o gf r o n te n d p r o c e s s i n g a ne m b e d d e dm p c 8 6 0s y s t e mo fh a e d o n gc o m p a n yi sa l s ou s e dt or u nt h es o f t w a r e c h a p t e r4g i v e st h ed e t a i l e da s p e c t so f t h i sa t u r ss o f t w a r e ，b a s e do np s o ss y s t e m ， i n c l u d i n gt h ed e s c r i p t i o no fm o d e ms o f t w a r e ( p h y s i c a ll a y e r ) ，a n da t ms o f t w a r e ( d a t a l i n k l a y e r ) 。t w oh i 曲e rl a y e rp r o t o c o l s t a c k sa n ds o m ep e r f o r m a n c et e s t sa r ea l s o d i s c u s s e di nt h i sc h a p t e r t h ef i n i a lc h a p t e ri st h es u m m a r i z a t i o na n da p r o s p e c to f f u t u r e r e s e a r c h e s k e y w o r d s ：a d s l ，d m t ，e x t e m a la t u r ，s tc h i p s e t ，m p c 8 6 0 ，p s o s i i 浙江人学坝l 学位论文 基于s t 芯片组的外置式a d s l 远端收发器 第一章绪论 接入网是近年来世界电信技术界及运营界共同感兴趣的热门话题之一，宽带化 是接八技术发展的趋势。为在目前可以方便而廉价地解决宽带接入问题，数字用户 线( d s l ：d i g r a l s u b s c r i b e rl i n e ) 技术应运而生，而非对称数字用户线( a d s l ： a s 3 ，m m e t r i cd s l ) 在各种d s l 技术中标准最完善，应用也最广泛，是一种极具竞 争力的宽带接入解决方案。a d s l 收发器设备主要分a t u r ( a d s lt e r m i n a l u n i t - r e m o t e ) 和a t u c ( a d s lt e r m i n a lu n i t c e n t e r0 伍c a ) 两部分，国外已有不 少产品问世，国内也有许多厂商在进行自主开发，其产品研制和规模应用正方兴未 艾。 1 1 接入网技术简介 1 1 1 接入网的概念 整个网络可以划分为核心网和接入网两部分，其中核心网又包括传输网和交换 网两部分。所谓接入网是指交换局到用户终端之间的所有机线设备。图1 1 示出了 接入网的物理位置。 图1 1 接入网的物理位置 其中主干系统为传统的电缆和光缆，一般长数公里；配线系统也可以是电缆或 光缆，其长度一般为几百米；而引入线通常长几米到几十米。 国际电联标准部( i t u - t ) 规定，接入网是指业务节点接口( s n i ) 和相关用户 网络接口( u n i ) 之间的一系列传送实体( 诸如线路设备和传输设备) 所组成，为 传送电信业务提供所需传送承载能力的实旋系统，它可以经由q 3 接口进行配置和 管理。传送实体提供必要的传送能力，对用户信令是透明的，不作处理。它可以被 看作与业务和应用无关的传送网，主要完成交叉连接、复用和传输功能，一般不含 交换功能。在如图1 2 所示的接入网定义中，业务节点是一种可以接入各种交换型、 半永久连接型电信业务的网元。可提供规定业务的业务节点有本地交换机、租用线 业务节点或特定配置下的点播电视和广播电视业务节点等。 塑坚盔堂堡主兰篁迨壅兰王鱼! 苎苎望堕丛里茎兰里坠立墅塑! l 塑 1 1 2 接入网的历史 图1 2 接入网定义示意图 1 9 7 5 年英国电讯( b t ) 在苏格兰g a l a s c o 举行的一次研讨会上首次提出了接入 网的概念。1 9 7 6 年b t 在m a c h e s t e 进行了组网可行性实验，1 9 7 7 年在苏格兰和伦 敦地区进行了大规模的推广应用。1 9 7 8 年b t 在g a l a s c o 会议上正式肯定了这种组 网方式并命名为“接入网组网”技术，随后有w i l l e s m 等人共同编辑了此次会议的 文献集“电信网技术”。 1 9 7 8 年b t 在c c i t t 相关会议上正式提出了接入网组网概念，1 9 7 9 年c c i t t 用远端用户集线器( r s c ) 命名方式给具备类似性能的设备进行了框架描述。 8 0 年代初，c c i t t 相关工作组先后提出了v 1 、v 2 、v 3 、v 4 共四种接入网数 字接口的一般性建议。但是由于运营商、传统设备供应商、新的竞争者之间的经济 利益关系，使得上述4 种数字接口建议工作最终未能获得广泛的认同。 8 0 年代后期，在各方面推动下i t u t 开始制定标准化程度较高的数字接口规范 v 5 。目前已标准化的有v 5 1 ( g 9 6 4 ) 和v 5 2 ( g 9 6 5 ) 接口，前者支持2 m b p s 速率的业务，后者支持多达1 6 个2 m b p s ，最近又制定了针对s d h 速率的v 5 3 接 口和针对宽带业务的v 5 b 接口。 9 0 年代以来宽带、无线技术的发展，n i i ( 国家信息基础设施) 、g i i ( 全球信息 基础设施) 概念的提出以及光纤传输技术的革命性进步，使得接入网成为一个独立 的产品和运营市场，并以较强的势头持续发展至今。【2 j 1 1 3 接入技术综述 光纤接入 光纤是目前传输带宽最宽的介质，目前骨干网已大量采用光纤，如果将光纤 应用到用户环路中，定能满足将来各种宽带业务的需要。可以说光纤接入是宽带 接入网的最终形式，但在目前要完全抛弃现有的用户网络，重新铺设光纤，对于 大多数国家和地区还不太经济。 混合接入 塑婆盔堂塑主兰垡堡塞 茎王! ! 苎苎塑丝丛里茎垒里坠i 室壹! 堑茎曼 主要是指混合光纤同轴( h f c ) 接入技术，同轴线也是一种带宽较宽的传 输介质，目前的c a t v 网就是一种h f c 网，它在主干部分应用光纤，然后用同 轴线经分支器接入各用户。c a t v 网主要是一个下行网络，在1 g h z 带宽内每载 波可以承载m p e g 或2 0 5 0 m b s 的a t m 信号，使用1 6 6 4 2 5 6 q a m 调制。但由 于c a t v 是共享带宽的，所以当用户数增多时，每个用户的带宽将下降。 铜线接入 铜线接入的最大好处就是可以利用现有的双绞线，这样对网络的改动最小， 因而也就最经济。利用各种先进的调制技术和数字信号处理技术，可以提高铜线 的传输速率和距离。但是铜线的传输带宽毕竟有限，铜线接入方式的传输距离和 传输速度一直是一对难以调和的矛盾。 无线接入 无线用户环路( w l l ) 指利用无线技术为固定用户或移动用户提供电信业 务，因此无线接入分为固定无线接入和移动无线接入，采用无线技术包括微波、 卫星等。无线接入的优点有：初期投入小，能迅速提供业务，不需铺设线路；灵 活，可随时按需进行变更，扩容，抗灾难性强。缺点是：受环境影响大，信道质 量不稳定，目前还难以提供宽带业务。 3 1 1 4 1 1 2x d s l 技术简介 1 2 1 x d s l 之前的铜线接入技术 在数字通信发展的初期，人们就开始研究用铜线传输数字信号的技术，但是受 到贝尔电话系统的制约，铜线的带宽被限制在4 k h z 内。1 9 6 4 年i t u 为速率为2 0 0 b p s 的m o d e m 制定了第一个国际化标准v 2 1 。1 9 8 4 年i t u 又制定了v 3 2 标准，其中 使用了回波抵消和分割编码技术，在随后发布的v 3 2 改进版本中速率被提高到 1 4 4 k b p s 。1 9 9 6 年i t u 在v 3 4 的最终版本中又将速率提高到3 3 6 k b p s ，这已与香 农的理论极限非常接近了。再以后，随着程控交换机数字化程度的加大，i s p 和交 换机之间可以用数字链路相连，使得下行方向上少了一次模数转换，因而可不受量 化噪声影响，使得下行速率可以达到5 6 k b p s ，但上行速率仍限制在3 3 6 k b p s ，i 丁u 为此制定了v 9 0 标准。 局限于模拟的用户环路，已使铜线接入不太可能有性能的提高了，改进的办法 是使用户环路数字化。铜线本身的带宽也远远不止4 k h z ，而是贝尔电话系统用滤 波器在局端接入时强行作了限制，因而只要改变交换机的某些模块就可以实现用户 环路数字化。n i s d n 是第一个数字化的铜线接入技术。它在铜线上传输2 b + d 的数 字信号( 1 4 4 k b p s ) ，采用的技术有乒乓技术( 一种上下行数据按时分的方法占用传 输线的双工技术) 、先进的回波抵消技术等。用2 8 1 q 线路码，在o 4 m m 线规( 线 堑望丛堂堡主兰垡堡塞 茎王! ! 苎苎塑堕堑鱼望王竺堕l 垂塑! ! ! i 塞量 规就是铜线的直径) 下，传输距离可达到5 公里，这对绝大多数地区的窄带业务是 足够了。n i s d n 技术在欧洲的某些国家( 如德国) 得到了广泛的应用，但在美国的 应用是失败的。同时随着i n t e m e t 业务的飞速发展，n i s d n 的速率已不能满足人们 宽带化的要求，需要寻找更高速的数字用户环路技术，这就是x d s l 技术。 x d s l 技术的诞生并不晚，它是美国贝尔通信研究所于1 9 8 9 年为推动v o d ( 视 频点播) 业务开发出的用户线高速传输技术，后因v o d 业务受挫而被搁置了很长 一段时间。近年来随着i n t e m e t 业务的迅速发展，对固定连接的高速用户线的要求 日益高涨，这技术因其低成本实现用户线高速化而重新崛起，打破了高速通信由 光纤独揽的局面。 1 2 2x o s l 技术系列 x d s l 是一系列技术的统称，这里x 代表若干个字母，它们都使用现存的铜双绞 线做为用户环路。表1 1 是现有的x d s l 技术的性能对比，当然厂家所提供的实际 性能可能与之有出入。 表1 1x d s l 系列对比 名称含义传输速率模式评论 h d s l ，h d s l 2 高速数据d s l 1 5 4 4 m b p s 对称使用2 线对 2 0 4 8 m b p s 对称 s d s l 单线对d s l7 6 8 k b p s对称使用1 线对 a d s l 非对称d s l1 5 - s m b p s下行使用1 线对 1 6 - 6 4 0 k b p s 上行 r a d s l 自适应速率 1 5 - 8 m b d s 下行使用1 线对 d s l 1 6 - - 6 4 0 k b p s 上行能够速率适配 c d s l 用户d s l 上限1 5 m b p s 下行使用1 线对 1 6 1 2 8 k b p s上行不需分离器 i s d li s d n d s l 与i s d n b r i 相同对称使用1 线对，也叫 “无交换的b r l v d s l 甚高速d s l 13 - 5 2 m b p s 下行速率最高，但需要 15 6 m b p s 上行光纤或a t m 接入 下面对上表中的技术作个简单的解释。 h d s l h d s l 2 h d s l h d s l 2 使用2 8 1 q 线路码，在北美的运行速率是1 5 4 4 m b p s ( t 1 速 率) ，在其它地方是2 0 4 8 m b p s ( e 1 速率) ，两个速率在上下行上是一致的，即对 称的。传输距离可达1 5 0 0 0 英尺( 约合4 5 公里) 。最早的h d s l 需要2 对线， 但h d s l 2 做了改进只需一对线。h d s l h d s l 2 可以用于t 1 或e 1 业务的承载。 s d s l 塑里查堂堡主竺垡鲨塞芝巳塑型型旦盟丛里茎尘旦坠立翌i ! ! ! 丝翌 s d s l 只使用1 对双绞线，它可以看作是h d s l 的一个变种。虽然性能不如 h d s l ，但相应的成本低廉，并可满足一些接入需要。b r o o k t r e e 等公司有相关的 产品。 a d s l a d s l 也使用1 对双绞线，考虑到许多业务的非对称特性，它的下行速率 远高于上行。它可以使用c a p 和d m t 两种线路码( 后者是标准采用的) ，传 输距离可达1 8 0 0 0 英尺( 约合5 5 公里) 。但不对称传输也造成了电路的复杂和 性能的不稳定。 r a d s l r a d s l 是速率适配的a d s l ，采用d m t 调制技术，在双绞线信道变化时， 能够相应地作出调整，从而在每对双绞线上达到自适应的最佳速率。r a d s l 是 a d s l 的自然发展，目前的a d s l 产品几乎都是r a d s l 型的。 c d s l c d s l 和a d s l 、r a d s l 几乎一样，但它省略了用户端用于将话音业务和 数据业务分开的分离器，大大方便了安装，用户可以象装普通m o d e m 一样自 行解决，同时分离器的省略也带来了成本的减少。虽然它的性能不如a d s l ，但 由于降低了应用门槛，未来将有广泛应用。 i d s l i d s l 使用普通的i s d n 基本速率接口( b r i ) 的2 b + d 信道，但b t l i 不连入 i s d n 交换机，而是直接连入路由器，因而它不支持话音业务。i d s l 和i s d n 一 样运行于l 对双绞线上，传输距离为1 8 0 0 0 英尺( 约合5 5 公里) 。总的说来，i d s l 在性能及应用上没有任何优越性，属于一种暂时的技术。 v d s l v d s l 被认为是x d s l 的终极形式，其速率非常高，但同时传输距离也很短， 只有1 0 0 0 到4 5 0 0 英尺( 约合3 0 0 米到1 4 公里) ，传输距离的不同将导致传输 速率的大幅变化。v d s l 与其它d s l 技术的不同在于它需要和光纤网络单元相 连，很适合于光纤到路边后的连接，为未来的家庭办公和个人宽带业务提供良好 的平台。【5 】 6 】【7 】【8 1 3a d s l 技术简介和应用 1 3 1 a d s l 的标准 d s l 技术形形色色，a d s l 技术是其中标准化程度最完善，应用范围最广泛的 种。各种民间和官方标准化组织都积极参与标准的协商和制定。 塑堑盔堂堡圭堂垡鲨塞 垄王! ! 苎苎塑堂生丝堑兰垒旦坠型堂坚2 递 a d s l 最早的成文标准是a n s i ( 美国国家标准局) 于1 9 9 5 年制定的t i 4 1 3 标 准1 9 】 它规范了a d s l 的系统结构、电气特性和物理接口。之后a n s i 又于1 9 9 8 年 发布了t 1 4 1 3 的第二个版本( i s s u e2 ) ，对s t m 和a t m 传输会聚层、精简载荷模 式、传输p s d 、环路定时做了说明，同时在附录里还加入了a d s l - n e x t 、p o t s 低通滤波器、a t m 信元t c 子层、在线速率适配的定义。我国邮电部参照t 1 4 1 3 标准于1 9 9 8 年制定了自己的行业标准：接入网技术要求不对称数字用户线 ( a d s l ) ，编号y d n 0 7 8 1 9 9 8 ”1 。 i t u ( 国际电联) 在t 1 4 1 3i s s u e 2 的基础上，考虑到各国和地区网络的差异， 于1 9 9 9 年发布了六个相关标准。它们是：g d m t b l l ；g l i t e u 叫；i t u t r e e g 9 9 4 i ( g h s ) h a n d s h a k ep r o c e d u r e s f o rd s lt r a n s c e i v e r s ；i t u tr e c g 9 9 5 1 f g r e f ) 一o v e r v i e wo fd s l ：i t u tr e c g 9 9 6 1 ( g t e s t ) 一t e s tp r o c e d u r e sf o r d s l t r a n s c e i v e r s ；i t u tr e c g 9 9 7 1 f g p l o a r n ) 一p h y s i c a ll a y e rm a n a g e m e n t f o rd s l 。 其中的前两个标准规定了a d s l 收发器的技术规范。 g d m t 标准参照t 1 4 1 3i s s u e 2 和欧洲技术标准局( e t s i ) 的3 2 8 号技术报告， 规定a d s l 系统工作于普通金属双绞线环路，允许环路采用混合线规和一些桥接， 但不允许有加感线圈。a d s l 下行极限速率为8 1 9 2 m b i t s ，上行极限速率为 6 4 0 k b i t s 。允许至多四个单工信道( a s 0 a s 3 ) 和至多三个双工信道( l s 0 - l s 2 ) 。 a d s l 采用复帧结构，每复帧含6 8 帧和一同步码，复帧长不定( 视链路速率而定) ， 但必须每2 5 0 u s 发一帧( 一帧即一个d m t 码元) ，每1 7 m s 发一复帧，每帧的数据 分交织和快速两部分。数据可以是s t m ( 同步传输模式) 也可以是a t m 的。 g l i t e 的大部分内容都和g d m t 相差无几，但也有一些不同。 首先，g l i t e 去除了g d m t 中的分离器，此分离器用于将话音和数据分离，从 而减小二者之间的干扰，但是这样同时也带来了成本的上升，另外分离器一般都不 集成在a d s l 收发器内，以减小干扰，这样又需要专门安装。所以一种自然的想法 是干脆去除分离器，使用户可以像使用普通m o d e m 一样使用a d s l 。由于缺少了 分离器的隔离，因此速率不仅取决于环路，而且同室内布线情况和话音业务的有无 有关。在良好的线路环境下，距离18 0 0 0 英尺下行速率可达1 5 m b s ，上行速率可 达5 1 2 k b s ，随着距离的增加速率将下降。另外与g d m t 不同的是，g l i r e 只支持 a t m 数据流，并且只允许单工信道a s 0 和双工信道l s 0 ，数据必须被交织，因此 每帧也只含有交织数据部分。 1 3 1 1 3 2a d s l 系统的连接 a d s l 收发器设备主要分a t u r ( a d s lt e r m i n a lu n i t r e m o t e ) 幂da t u c ( a d s l t e r m i n a lu n i t - c e n t e ro f f i c e ) 两部分，使用时必须一对对用，即a t u r 安装在用户 处，a t u c 安装在局端，图1 3 是系统的连接使用图。 塑婆盔堂婴主堂垡堡塞 垄王三整苎望堕丝里蔓兰里塾垄坠型! i 鲨 。一s i g n a ll i n e s 。i n t e r f a c e s i 一一j 图13 a d s l 系统连接盈 上图中，来自a t u c 的数字数据经分离器( s p l i t t e rc ) 中的高通滤波器处理后， 与来自低通滤波器的话音数据混合，然后被发送到用户线路上。混合数据在用户端 通过滤波器( 高通f 氐通) 后，数字数据进入a t u r ，并由家用网络接不同业务模 块( s m ) ，话音数据进入话音处理设备( 电话机、话音m o d e m 等) 。 1 3 3a d s l 系统的芯片组 a d s l 系统所需芯片主要有：线路驱动器，线路接收器，a d ，d a ，模拟前端 芯片，数字信号处理芯片，微处理器芯片。许多芯片生产厂商都提供相关芯片或芯 片组，根据集成度的不同，上述的芯片可能相互融合成几块甚至一块功能芯片。表 1 2 列出了一些厂商的产品( “4 ”表示有相应产品) 1 4 】。 表l1 一些厂商的a d s l 芯片组 厂商线路驱动器线路接收器 a dd a 模拟前端数字信号处理 a l c a t e l a d b u r r - b r o w n c o n e x a n t t i f u i t s u l i n e a r m a x i m n s s t 上述表格是很不完整的，实际上随着a d s l 市场越来越被人们看好，有数十家 厂商已有或正在研制相关芯片，并且集成度越来越高，在不久的将来很可能出现象 现在的网卡一样的单片集成a d s l 芯片。 塑坚盔兰堡主兰丝堡苎 董王! ! 苎生丝塾丛里茎兰里坠立型堂! ! ! 鲨 1 3 4a d s l 应用现状 a d s l 在发达国家已经得到较为广泛的应用。下面是一些国家近期的应用状况。 美国是a d s l 技术的发源地，也是a d s l 应用最广泛的地方。美国有众多的 a d s l 芯片供应商( 如a l c a t e l 、a n a l o g d e v i c e s 、t i 、c o n e x a n t 、l u c e n t 等) 和d s l 设备供应商( 3 c o m 、c i s c o 、i n t e l 等，当然许多芯片商同时也是设备供应商) ，各 大网络服务运营商也积极地对其传统的电话网络进行升级，以应付与日俱增的数据 通信及因特网业务。如位于纽约的b e l la t l a n t i c 公司1 9 9 9 年3 月从阿尔卡特购进2 千万美元的a d s l 设备为已有的铜线扩容，与此同时，南方贝尔公司也宣布提供面 向公司用户的d s l 服务。到1 9 9 9 年7 月时，美国在线( a o l ) 已和小贝尔电话公 司群( b a b yb e l l ) 签订了四个d s l 合约，a o l 与b e l la t l a n t i c 还宣布从1 9 9 9 年中期 开始，b e l l a t l a n t i c 东海岸地区的a o l 用户可以将他们的网络访问连接直接升级到 d s i ，。 欧洲应用a d s l 也非常广泛，并且不乏a d s l 芯片商和设备商，如s t 、e r i c s s o n 、 n o k i a 等。许多欧洲国家的电信运营商也积极支持a d s l 业务，如英国电信( b t ) 宣 布从1 9 9 9 年1 0 月份开始，在英国的重要城市中，提供最大传输速度可达每秒2 m b 的a d s l 数据传输服务，到2 0 0 0 年三月份已可以为6 百万家庭用户提供a d s l 服 务。 亚洲的a d s l 业务正方兴未艾，犹以日本和韩国应用最广，这两个国家也有众 多的a d s l 芯片商和设备商，如日本的f u j i t s u 、o r c k i t 、t o s h i b a ，韩国的h y u n d a i 、 s a m s u n g 等。在亚洲其它一些发达国家和地区，a d s l 也有广泛应用，如新加坡电 f 言( s l n g t e l ) 与a l c a t e l l 9 9 9 年初签署一项协议，将新加坡的a d s l 网络扩展到5 万 线。s i n g t e l 借此可以向居民提供点播视频、视频会议、远程教育等多媒体服务和高 速i n t e m e t 接入，s i n g t e l 还将向小型办公室家庭办公室市场推出若干新的宽带多 媒体服务，其中第一项就是笔记本电脑的a d s l 连接。 在我国a d s l 的应用刚刚开始，1 9 9 9 年阿尔卡特在广东省深圳经济特区安装了 5 0 0 0 多线的a d s l 设各，同年阿尔卡特还与上海签署了一项协议，进行5 0 0 线a d s l 高速接入技术的试验( 目前上海已可以大规模应用了) 。此外，广东佛山等地也已 开通了a d s l 业务。国内的a d s l 应用除了采用国外的设备组网外，还有一些国内 通信设备提供商也自行设计了许多a d s l 设备，象选用t i 芯片组的华为公司产品， 选用s t 芯片组的中兴公司产品，另外象长城等公司也有产品问世。可以说我国的 a d s l 应用正从无到有，并逐步掌握其中的核心技术，生气勃勃地开展着。 1 4 本文主要工作 本文主要介绍了a d s l 收发器的原理和一种基于s t 芯片的外置式a r u r 系统， 该系统采用了s t 公司的a d s l 芯片组和m o t o r o l a 公司微处理器m p c 8 6 0 ，文 8 浙江大学硕上学位论文 基于s t 芯片组的外置式a d s l 远端收发器 章详细描述了该系统的硬件结构和软件结构，一些测试结果也在文中给出。 本文第一章介绍了接入网、x d s l 和a d s l 的发展历史和应用现状。第二章以 g d m t 标准中的a t u r 为例，较详细地介绍了a d s l 收发器的工作原理，包括d m t 调制原理、帧结构、e o c 信道、初始化过程等。 第三章介绍了自行设计的一种外置式a t u r 的硬件结构，此结构采用s t 公司 的a d s l 芯片组( s t l c 6 0 1 3 5 、s t l c 6 0 1 3 4 ) 进行d m t 调制和模拟前端处理，并 嵌入了h a e d o n g 公司的m p c 8 6 0 微处理器系统板运行所需软件。 第四章介绍了p s o s 平台下该a t u r 的软件结构，包括物理层m o d e m 软件和 数据链路层a t m 软件的详细介绍，另外还给出了更高层软件的两种协议栈结构， 该a t u r 的一些性能测试也在本章给出。 第五章是总结，对今后的工作做了个展望。 鲨蔓厶兰堡尘堂丝堡兰茔主羔! 签丛塑堕型鱼旦竺堑旦重塑坚；曼登 第二章a d s l 收发器原理 a d s l 收发器的调制方法主要有c a p ( c a r r i e r l e s sa m p l i t u d e p h a s e ) 和d m t ( d i s c r e t em u i t i t u n e ) 两种，1 t u 的标准o d m t ( g 9 9 2 1 ) 和g l i t e ( g 9 9 2 2 ) 均 采用d m t 。a t u ，r 和a t u c 的工作原理和系统结构基本相同，本章介绍了d m t 调制的原理，并以a t u - r 为例，对g d m t 中的主要内容作了简单的阐述。 2 1a d s l 传输技术 2 1 1a d s l 的频谱划分 我们知道，所有的拨号m o d e m 均是工作在音频范围内，即3 0 0 3 4 0 0 h z 的频 段。由香农公式： q c 一= b l o g 2 ( 1 + 詈) v 若带宽b 为3 0 0 0 h z ，信噪比( s n r ) 为3 0 d b 的信道，最大传输率也只有3 0 k b p s 。 不同于拨号m o d e m 将带宽压缩在4 k h z 内的方法，a d s l 利用了普通双绞线的话外 频段( 扩展到1 1 0 4 m h z ) ，频带的分配如图2 1 所示。由于话音和数据使用了不同 的频段，因此a d s l 的数据业务是“a l w a y so d ”的，即只要上电就一直在线，并且 不妨碍话音业务。 频率( k h z ) 图2 1a d s l 频谱划分 基于c a p 的a d s l 收发器其频谱如上划分，而在d m t 调制中，上行和下行的 频谱也可以重叠，这样将增加下行频带的宽度，可以更加有效的利用信道。但由于 传输线路的阻抗很难匹配，所以会造成回波，将带来上下行数据之间的干扰，需要 应用特殊的回波抵消技术。 2 1 2d m t 调制技术 a d s l 的调制技术主要有两种：c a p ( c a r r i e f l e s sa m p l i t u d e p h a s e ) 和d m t ( d i s c r e t em u l t i t u n e ) 。c a p 调制与q a m 调制很类似，只是抑制了载波。它将输入 斯矾 t 一4 o 一王 塑垩查堂型! ! ：堂些堡苎 茔主! ! 堇苎塑堕丝里苎兰里坠i 垩塑! ! ! ! 塑 的m 比特映射成k ；2 m 个不同的复数符号x ( n ) = a 。+ j b 。，由k 个不同的复数符号构 成k c a p 线路编码，编码后的a 。和b 。分别送入两个正交、同幅频特性、相差n 2 的数字横向带通滤波器( 载波抑制) ，结果相加后进行d a 转换，就得到发送信号， 其产生的频谱形状和q a m 相同，q a m 接受器稍加修改就可以接收c a p 码。由于 c a p 是建立在q a m 基础上的，实现技术比较成熟，因此在a d s l 发展的早期，它 有较广泛的应用。但是比之d m t ，它的信道利用率和信道自适应能力不佳，国际 标准最终选择了d m t 。同时由于d m t 是个开放标准( 因而只有极少的专利费) ， 而c a p 只有一个授权来源g l o b e s p a ns e m i c o n d u c t o r ，所以目前的a d s l 设备将 越来越多的采用d m t 。 与c a p 只采用一个载波不同，d m t 把可用带宽以4 3 1 2 5 k h z 的间隔划分为2 5 6 个子信道( 当然具体数目只是标准中的规定) ，图2 2 是个一般的d m t 频谱划分。 图22 d m t 子信道划分 每个予信道用不同的载频。低端的子信道( 通常是拌1 到牟6 信道) 用于传送4 k h z 的模拟话音( 之所以为话音分配2 5 k h z 带宽是为了便于分离器的设计) 。接下来的 3 2 个子信道用于传送上行数据，这一频段具有最佳的传输特性，但同时也存在来自 于i s d n 、h d s l 等的串音，其它的子信道用于传送下行数据，上下行频段中的某 些子信道用于传送导频等特殊信号。根据每个子信道的实际传输能力，比特流将自 适应地分配于其上，信噪比大的子信道有较大的比特数，这样就可充分利用信道。 图2 3 是d m t 收发器的原理框图【l 纠。根据采样定理，当取样速率至少为信号最高 频率的2 倍时，该离散系统等效于实际的连续系统。输入比特流被分成n 个子信号 x n ，n = 0 ，1 ，n - 1 ，它们是原始的复数信号( 即没经过l 电平转换的) ，被n 维正弦调 制矢量p n ，n = 0 ，l ，n 1 ，所调制，然后加起来形成一个n 维已调制发送信号取样 块( 实际是通过并转串将并行的n 个子信道输出转为一个串行数据块) ，再加上一 个循环前缀以消除码间干扰，经过信道后由解调向量解调。 堑望盔堂堡圭堂些笙皇一墨要三堇苎塑量生丝堑釜垒些垫主坠幽 图2 3a d s l 收发器原理框图 在上图中，第n 个调制向量p n 为： p 。= 【p 。o ，p 。，】，p 。一】 其中： = 万1 e 似，) “ ， = o ，1 ，一1 对发送端每一子信道的调制公式是： 只。寿酗啦 对接收端每一子信道的解调公式是： 兄2 赤酗8 1 但“” 可见调制解调公式与i d f t d f t 实际是一样的，因此可以应用f f t 算法来加快 计算，事实上a d s l 标准中也规定了必须使用f f t 。 由于传输信道不是严格平坦的柰奎斯特信道，存在严重的码间干扰。常用的方 法是在接收端加入信道均衡器来消除消除连续数据块之间的互相干扰。在a d s l 中， 如果只采用均衡器，则组成均衡器的横向滤波器抽头太多，不仅时延大，计算量也 太大，因此在实际中选用一个较短的时域均衡器，缩短信道冲激响应长度，即信道 的记忆时长再在发送端实际每块d m t 数据前加上循环前缀c p ，c p 在接收端将 被舍弃。若信道的脉冲响应长度为v ，则c p 的长度也为v ，由于c p 是要被丢弃的 冗余的值，具体实现时可以用某些子信道的调制输出值。信道输出取样为： y k = h t + 瓦+ ，7 y k 通过串并转换后分别由各子信道的解调向量的解调，得到输出结果。 3 3 1 盂珊 塑! 三! ：竺丝! 二堂丝堡塞 坚王! ! 笙苎塑塑堑璧蔓垒旦坠立墼塑! ! 丝堡 2 1 3a d s l 比特分配算法 在图2 3 的结构中，每个子信道分配的比特数是一样的，但是在实际中，各个 子信道的特性不可能完全一样，应该根据它们各自的s n r 来分配，才能达到最大 传输容量，这就需要一个比特分配算法。根据香农的理论，假设各个子信道可以看 作相互独立的平行信道，若噪声为加性高斯特性( 这是离散无记忆信道中最坏的加性 噪声) ，在发送的总功率一定的约束下，由“灌水原理”p 4 j 可以得到最大信道传输 率，但是第一其计算量太大；第二它假设了分配的比特数可以是任意正数( 不一定 是整数) ，这显然是不合理的。解决上述第二个问题的方法有h u g h e s h a r t o g s 算法， 但是在a d s l 应用中，待分配的比特数很大( 4 0 0 2 0 0 0 + ) ，子信道数又非常多( 2 5 6 ) ， 所以这种方法的计算量也很大，因而不适合于a d s l 这种实时计算的应用，一种改 进的算法由文献【1 6 给出，本文不作详述。 实际的双绞线信道并不是时不变的，由于受到各种干扰，它可以看作一个缓慢 变化的“准静态”信道，这样在初期确定的最佳比特分配方案随着时间的变化就不 再是最优的了，因此需要a d s l 收发器能做自适应的调整。调整步骤是先保存每个 予信道上的m s e ( 均方差) 的变化，当某个子信道a 的m s e 大于某个设定的阈值， 比如比另一子信道b 差了3 d b ，那么a 中的一个比特将交换到b 中，使得总的误 码率降低。交换的信息通过握手过程保存在a d s l 收发器存储器中。 2 1 4 其它改进性能的技术 为了均衡发送数据流中的“0 ”，“1 ”的数量比例，增加传输信息的随机度，通 常都要对发送数据在发送前进行扰码处理。a d s l 中的扰码算法是： d 一= d 。o dn - 1 8 0 d 一2 3 这里d n 是从快速或交织缓存的第n 个输出( 即输入到扰码器的值) ，d n 是扰码 器的第n 个输出。 为提高d m t 调制a d s l 的性能，a d s l 标准中还采用了r e e d s