2004年電子設(shè)計(jì)應(yīng)用第9期

引言
非對稱數(shù)字用戶線路 (ADSL) 系統(tǒng)是目前部署的消費(fèi)類 DSL 系統(tǒng)中最受歡迎的形式。它可在較短的環(huán)路中支持最大達(dá) 12 Mbps 水平的數(shù)據(jù)速率。在環(huán)路延長至5.5Km或更長的情況下，通過調(diào)節(jié)其速率與頻譜，仍可實(shí)現(xiàn)有意義的數(shù)據(jù)速率。但是，許多干擾降低了 ADSL 的覆蓋范圍，這就在網(wǎng)絡(luò)中形成漏洞，無法實(shí)現(xiàn)可接受的服務(wù)速率。

圖1  針對較長環(huán)路進(jìn)行優(yōu)化的調(diào)制解調(diào)器架構(gòu)示例

本文將介紹一些補(bǔ)償上述干擾的 ADSL 調(diào)制解調(diào)器設(shè)計(jì)技術(shù)，包括碼間干擾 (ISI)、橋接抽頭與射頻干擾 (RFI) 等，以及基于傳輸頻譜改善的、可實(shí)現(xiàn)更長覆蓋范圍、最小化串?dāng)_并解決混合局端 (CO) 與遠(yuǎn)程終端 (RT) 部署問題的一些新標(biāo)準(zhǔn)。新標(biāo)準(zhǔn)不斷發(fā)展，加上靈活的調(diào)制解調(diào)器架構(gòu)出臺(tái)，二者的結(jié)合使得運(yùn)營商能夠擴(kuò)大以一定目標(biāo)速率提供的DSL服務(wù)領(lǐng)域。

ADSL基礎(chǔ)
ADSL通過采用離散多音頻(DMT)調(diào)制將單一的寬帶通信通道轉(zhuǎn)換為多個(gè)窄帶子通道。
如果通道存儲(chǔ)器不超過循環(huán)前綴的長度，則使用循環(huán)前綴(將 IFFT 后的信號(hào)尾接到待傳輸塊之前)可實(shí)現(xiàn)接收機(jī)的簡化均衡。就此情況而言，均衡只是逐個(gè)子通道進(jìn)行復(fù)數(shù)乘法，從而消除通道影響。
對于通道存儲(chǔ)器大于循環(huán)前綴的情況，通常在所設(shè)計(jì)的接收機(jī)中采用通道縮短濾波器(稱作時(shí)域均衡器或 TEQ)，使得 TEQ 與通道串聯(lián)的大部分功率限于循環(huán)前綴長度 +1 之內(nèi)。這與單通道情況相反，單通道情況下線性均衡器通常把最小均方誤差設(shè)計(jì)為翻轉(zhuǎn)通道。
典型的 ADSL 部署為頻分雙工 (FDD)，單通道(雙絞線)用于承載兩種信號(hào)，通過混合電路接至每個(gè)調(diào)制解調(diào)器的發(fā)送器與接收機(jī)。廣義而言，混合電路用隔離變壓器進(jìn)行四至二線路轉(zhuǎn)換。更具體地說，混合電路通過進(jìn)行模擬回波抵消，以減小接收機(jī)中的傳輸信號(hào)(或回波)反射。混合回波抑制取決于反射線路的阻抗(通過變壓器)，而它又根據(jù)不同的環(huán)路拓?fù)涠兴町悺?/p>

干擾補(bǔ)償
ADSL通道受各種干擾影響，有時(shí)數(shù)據(jù)速率甚至?xí)椭翉纳虡I(yè)角度來看 ADSL 無法使用的程度(比如我們難以將 32 kbps 的速率作為寬帶向市場推出)。本部分將研究 ISI、橋接抽頭與 RFI，并分析如何采用適當(dāng)?shù)恼{(diào)制解調(diào)器設(shè)計(jì)來限制干擾對 ADSL 系統(tǒng)的影響。
ISI
ADSL 通道中的 ISI 是雙絞線介質(zhì)與 FDD 濾波器二者結(jié)合的結(jié)果。在過渡帶附近 ISI 較強(qiáng)情況下工作較好的 TEQ ，在頻率上可能會(huì)產(chǎn)生凹槽。由于噪聲從 FFT 傳播，凹槽會(huì)導(dǎo)致 SNR 損失，從而使數(shù)據(jù)速率下降。
針對上述問題的解決方案之一是使用多個(gè)帶有獨(dú)立通道縮短均衡器的接收路徑，每條都對通道的不同部分進(jìn)行優(yōu)化。舉例來說，一個(gè) TEQ 可設(shè)計(jì)用于 ISI 較強(qiáng)的過渡帶，而另一個(gè) TEQ 可設(shè)計(jì)用于頻帶的其余部分，這里的 ISI 會(huì)較弱，從而有利于獲得較平滑的頻率響應(yīng)。FFT 之后，兩個(gè)通道的輸出結(jié)合形成子通道的單輸出(這就像在兩條通道間作出選擇一樣簡單)。
橋接抽頭
橋接抽頭指的是多條配電線纜連接至單一饋電線纜。只有一條配電線纜連接，其它保持開放。雖然這種架構(gòu)便于運(yùn)營商靈活分配線路，但是橋接抽頭會(huì)在通道中產(chǎn)生阻抗匹配問題和反射問題。根據(jù)架構(gòu)不同，家庭中的布線會(huì)有類似的影響。
橋接抽頭造成的傳輸信號(hào)反射導(dǎo)致接收信號(hào)中回波分量增大。即便 ADSL 系統(tǒng)在 FDD 配置下工作，回波的增強(qiáng)(如果未進(jìn)行補(bǔ)償)也會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)速率降低。這是由于在環(huán)路較長情況下，回波功率會(huì)比接收信號(hào)功率更大，實(shí)際上限制接收機(jī)的增益設(shè)置，也就增加了調(diào)制解調(diào)器的有效噪聲電平。而且，來自FFT的擴(kuò)散允許一個(gè)頻帶向其它頻帶擴(kuò)散，這就好像有了額外的噪聲源。雖然采用靈敏的頻帶分離濾波器可有助于降低擴(kuò)散的回波量，但其缺點(diǎn)是會(huì)給其它接收機(jī)帶來均衡問題。此外，它不能解決調(diào)制解調(diào)器噪聲電平問題。因此，在處理橋接抽頭造成的額外回波時(shí)，較合理的方法是分兩步走。
首先，為了優(yōu)化接收機(jī)動(dòng)態(tài)范圍，混合電路必須進(jìn)行調(diào)節(jié)以適應(yīng)由變化的環(huán)路拓?fù)渌鸬牟煌瓷渚€路阻抗。在最簡單的實(shí)施中，可針對不同環(huán)路拓?fù)洳捎枚鄠€(gè)混合電路以實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)。
對于混合電路匹配未移除的回波分量，可用回波抵消器(EC)去除剩余的回波信號(hào)。ADSL系統(tǒng)可設(shè)計(jì)為在時(shí)域中使用傳統(tǒng)的EC，或在頻域中進(jìn)行回波抵消(使用某種形式的循環(huán)回波合成)。
RFI
RFI是由射頻信號(hào)耦合在ADSL 頻帶(0~1104或2208KHz)中造成的。如 AM 無線電由于雙絞線與調(diào)制解調(diào)器前端不能完全平衡而耦合到信號(hào)中，F(xiàn)FT 的正弦狀干擾信號(hào)的擴(kuò)散可能會(huì)在很多子通道中造成數(shù)據(jù)速率下降，因此，有必要開發(fā)一些處理RFI的算法。
TEQ設(shè)計(jì)的主要標(biāo)準(zhǔn)是縮短通道，基于MMSE的TEQ設(shè)計(jì)是在較強(qiáng)的RFI源位置處置零。雖然置零會(huì)使速率降低些，不過一般說來噪聲擴(kuò)散會(huì)大幅下降，速率降低的代價(jià)也還合理。這樣，如果校準(zhǔn) TEQ 時(shí)存在 RFI 源，可用TEQ來補(bǔ)償 RFI。
接收機(jī)開窗口是可用于 RFI 補(bǔ)償?shù)牡诙N方法。接收機(jī)開窗口利用循環(huán)前綴中的信息形成窗口，它會(huì)影響噪聲，只要通道存儲(chǔ)器縮短至循環(huán)前綴減去窗口的長度，就不會(huì)影響信號(hào)。這樣，我們得到的就是帶有旁瓣的窗口，它比矩形窗口衰減要快得多。因此，即便 RFI 在調(diào)制解調(diào)器校準(zhǔn)后出現(xiàn)，調(diào)制解調(diào)器仍對 RFI 的有害影響顯示出較高的抗擾性。它付出的代價(jià)是通道縮短帶來的額外限制(自由度更低)。

圖2  針對短環(huán)路(ADSL2+)進(jìn)行優(yōu)化的調(diào)制解調(diào)器架構(gòu)。請注意，針對長環(huán)路進(jìn)行優(yōu)化的調(diào)制解調(diào)器的兩條路徑相結(jié)合，就構(gòu)成了TEQ與FFT操作

基于傳輸頻譜的性能改善
由于 ADSL 基于 DMT 調(diào)制，它在形成傳輸頻帶方面有很大的靈活性。我們可利用這種靈活性來改善 ADSL 系統(tǒng)的覆蓋范圍，用于處理混合 CO 與 RT 部署以及最小化串?dāng)_。
更大范圍的頻譜成型
DSL通道的常用形狀使得高頻比低頻的衰減更大。此外，通道衰減隨著環(huán)路長度增加而增大。由于 FDD ADSL系統(tǒng)將較高頻率分配給下行以提高 ADSL 在較長環(huán)路上的性能，因此通常都需要提高下行數(shù)據(jù)率。
ADSL2是第二代ADSL，它用特定附件(范圍擴(kuò)展 ADSL2)解決上述問題，即采用頻譜成型將功率置于通道更好的地方或?qū)⑸舷滦兄丿B，前者可通過縮小下行頻率的范圍或提高功率實(shí)現(xiàn)，而后者需要一個(gè) EC。此外，上行功率可降低頻率以避免串?dāng)_并降低傳入下行的回波。
ADSL2+處理CO與RT
混合部署情況
本地環(huán)路解除捆綁使得一家運(yùn)營商可從CO為某一區(qū)域提供服務(wù)而另一家運(yùn)營商則可從RT為同一區(qū)域提供服務(wù)成為可能。由于 RT 可能比CO離最終用戶要近得多，因此 RT 帶來的串?dāng)_會(huì)嚴(yán)重影響CO上運(yùn)行的ADSL系統(tǒng)的性能。根據(jù)CO、RT與最終用戶間距離的不同，以及不同線路間的耦合情況，性能所受的影響也有所不同。
ADSL2+是高速率版本的ADSL新標(biāo)準(zhǔn)，其下行帶寬的寬度加倍，為CO與RT混合部署情況提供了可能的解決方案。基本的思路是讓ADSL2+頻譜的形成(可能只需關(guān)閉子通道即可)能夠?qū)^低頻率造成的串?dāng)_盡量最小化。由于環(huán)路較短，RT部署的ADSL2+系統(tǒng)即使只用較高子通道也能實(shí)現(xiàn)較合理的速率。與此相對應(yīng)的是，CO部署的 ADSL 系統(tǒng)如果在長環(huán)路上由環(huán)路衰減限制于較低子通道，那么系統(tǒng)來自于RT部署的ADSL2+系統(tǒng)的串?dāng)_就會(huì)較少，因此仍能實(shí)現(xiàn)較合理的速率。
串?dāng)_最小化
ADSL2遵循做現(xiàn)有系統(tǒng)(CO與RT混合部署是其實(shí)例)好鄰居的原則，提供了更多串?dāng)_最小化的方法。這包括采用基于上限的功率縮減機(jī)制以去除功率，同時(shí)仍可保持相同的數(shù)據(jù)速率；還包括數(shù)據(jù)較少時(shí)減小傳輸功率的L2模式，并能夠通過完全控制播放時(shí)間的位加載變化來進(jìn)行反復(fù)迭代(iterative waterfilling)以最小化串?dāng)_。

靈活的架構(gòu)
對于長環(huán)路中各種干擾的補(bǔ)償，根據(jù)通道不同部分上觀測到的ISI可采用兩條路徑。EC可用于專為過渡帶(這是回波最多的地方)設(shè)計(jì)的路徑，而降低RFI的接收機(jī)窗口或TEQ設(shè)計(jì)可用于另一路徑，因?yàn)樯鲜龈蓴_會(huì)出現(xiàn)在過渡帶以外(見圖1)。
對于上述干擾造成問題較小的較短環(huán)路，可將兩條路徑結(jié)合起來，使系統(tǒng)可處理的子通道數(shù)量加倍。假定TEQ可提供的每循環(huán)倍增數(shù)為常量，兩個(gè)長度L TEQ中的每個(gè)都在每秒R采樣率上工作，二者結(jié)合添加上最小的邏輯，則可得到在2R速率上工作的單長度L TEQ(將過濾操作拆分為兩部分并使用延遲)。此外，TEQ輸出的奇偶采樣可路由至N大小的獨(dú)立FFT，而兩個(gè)FFT輸出可結(jié)合在一起，再加上額外的蝶級(jí)(butterfly stage)以生成大小為2N的FFT(基本遵循時(shí)間FFT衍生抽取)。這樣，就得到了一個(gè)能實(shí)現(xiàn)短環(huán)路高效、高速運(yùn)行的調(diào)制解調(diào)器，并能夠處理長環(huán)路的大量干擾(見圖2)。

結(jié)語
通過將靈活的調(diào)制解調(diào)器設(shè)計(jì)與 ADSL 新標(biāo)準(zhǔn)相結(jié)合擴(kuò)大了 ADSL 調(diào)制解調(diào)器的覆蓋范圍。本文總結(jié)了補(bǔ)償一般干擾的某些方法，加上 ADSL 傳輸頻譜中的靈活性，從而可大大提高所有環(huán)路長度情況下的數(shù)據(jù)速率?！?/p>

參考文獻(xiàn)
1 J. Cioffi (ed.), "Dynamic spectrum management report," ANSI T1E1.4/2003-018R1, Feb. 2003
2 A. Redfern, "Receiver window design for multicarrier communication systems," IEEE Journal on Selected Areas in Communications, vol. 20, no. 5, pp. 1029 - 1036, 2002