擴展DSL服務領域

2004年電子設計應用第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 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)絡中形成漏洞，無法實現(xiàn)可接受的服務速率。

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

本文將介紹一些補償上述干擾的 ADSL 調(diào)制解調(diào)器設計技術，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、可實現(xiàn)更長覆蓋范圍、最小化串擾并解決混合局端 (CO) 與遠程終端 (RT) 部署問題的一些新標準。新標準不斷發(fā)展，加上靈活的調(diào)制解調(diào)器架構(gòu)出臺，二者的結(jié)合使得運營商能夠擴大以一定目標速率提供的DSL服務領域。

ADSL基礎
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)換為多個窄帶子通道。
如果通道存儲器不超過循環(huán)前綴的長度，則使用循環(huán)前綴(將 IFFT 后的信號尾接到待傳輸塊之前)可實現(xiàn)接收機的簡化均衡。就此情況而言，均衡只是逐個子通道進行復數(shù)乘法，從而消除通道影響。
對于通道存儲器大于循環(huán)前綴的情況，通常在所設計的接收機中采用通道縮短濾波器(稱作時域均衡器或 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計為翻轉(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，通過混合電路接至每個調(diào)制解調(diào)器的發(fā)送器與接收機。廣義而言，混合電路用隔離變壓器進行四至二線路轉(zhuǎn)換。更具體地說，混合電路通過進行模擬回波抵消，以減小接收機中的傳輸信號(或回波)反射?；旌匣夭ㄒ种迫Q于反射線路的阻抗(通過變壓器)，而它又根據(jù)不同的環(huán)路拓撲而有所差異。

干擾補償
ADSL通道受各種干擾影響，有時數(shù)據(jù)速率甚至會低至從商業(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?shù)恼{(diào)制解調(diào)器設計來限制干擾對 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 較強情況下工作較好的 TEQ ，在頻率上可能會產(chǎn)生凹槽。由于噪聲從 FFT 傳播，凹槽會導致 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帶有獨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行優(yōu)化。舉例來說，一個 TEQ 可設計用于 ISI 較強的過渡帶，而另一個 TEQ 可設計用于頻帶的其余部分，這里的 ISI 會較弱，從而有利于獲得較平滑的頻率響應。FFT 之后，兩個通道的輸出結(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)便于運營商靈活分配線路，但是橋接抽頭會在通道中產(chǎn)生阻抗匹配問題和反射問題。根據(jù)架構(gòu)不同，家庭中的布線會有類似的影響。
橋接抽頭造成的傳輸信號反射導致接收信號中回波分量增大。即便 ADSL 系統(tǒng)在 FDD 配置下工作，回波的增強(如果未進行補償)也會導致數(shù)據(jù)速率降低。這是由于在環(huán)路較長情況下，回波功率會比接收信號功率更大，實際上限制接收機的增益設置，也就增加了調(diào)制解調(diào)器的有效噪聲電平。而且，來自FFT的擴散允許一個頻帶向其它頻帶擴散，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散的回波量，但其缺點是會給其它接收機帶來均衡問題。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，較合理的方法是分兩步走。
首先，為了優(yōu)化接收機動態(tài)范圍，混合電路必須進行調(diào)節(jié)以適應由變化的環(huán)路拓撲所引起的不同反射線路阻抗。在最簡單的實施中，可針對不同環(huán)路拓撲采用多個混合電路以實現(xiàn)這一點。
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。ADSL系統(tǒng)可設計為在時域中使用傳統(tǒng)的EC，或在頻域中進行回波抵消(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中，F(xiàn)FT 的正弦狀干擾信號的擴散可能會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設計的主要標準是縮短通道，基于MMSE的TEQ設計是在較強的RFI源位置處置零。雖然置零會使速率降低些，不過一般說來噪聲擴散會大幅下降，速率降低的代價也還合理。這樣，如果校準 TEQ 時存在 RFI 源，可用TEQ來補償 RFI。
接收機開窗口是可用于 RFI 補償?shù)牡诙N方法。接收機開窗口利用循環(huán)前綴中的信息形成窗口，它會影響噪聲，只要通道存儲器縮短至循環(huán)前綴減去窗口的長度，就不會影響信號。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 部署以及最小化串擾。
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現(xiàn)，而后者需要一個 EC。此外，上行功率可降低頻率以避免串擾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營商可從CO為某一區(qū)域提供服務而另一家運營商則可從RT為同一區(qū)域提供服務成為可能。由于 RT 可能比CO離最終用戶要近得多，因此 RT 帶來的串擾會嚴重影響CO上運行的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新標準，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(可能只需關閉子通道即可)能夠?qū)^低頻率造成的串擾盡量最小化。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現(xiàn)較合理的速率。與此相對應的是，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)的串擾就會較少，因此仍能實現(xiàn)較合理的速率。
串擾最小化
ADSL2遵循做現(xiàn)有系統(tǒng)(CO與RT混合部署是其實例)好鄰居的原則，提供了更多串擾最小化的方法。這包括采用基于上限的功率縮減機制以去除功率，同時仍可保持相同的數(shù)據(jù)速率；還包括數(shù)據(jù)較少時減小傳輸功率的L2模式，并能夠通過完全控制播放時間的位加載變化來進行反復迭代(iterative waterfilling)以最小化串擾。

靈活的架構(gòu)
對于長環(huán)路中各種干擾的補償，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)設計的路徑，而降低RFI的接收機窗口或TEQ設計可用于另一路徑，因為上述干擾會出現(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，兩個長度L TEQ中的每個都在每秒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大小的獨立FFT，而兩個FFT輸出可結(jié)合在一起，再加上額外的蝶級(butterfly stage)以生成大小為2N的FFT(基本遵循時間FFT衍生抽取)。這樣，就得到了一個能實現(xiàn)短環(huán)路高效、高速運行的調(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)器設計與 ADSL 新標準相結(jié)合擴大了 ADSL 調(diào)制解調(diào)器的覆蓋范圍。本文總結(jié)了補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。■

參考文獻
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