浅谈宽带接入网络的调制技术

浅谈宽带接入网络的调制技术

浅谈宽带接入网络的调制技术

    信息时代的到来使得人们对宽带业务的需求日益强烈，因而大大推动了各种宽带接入技术的发展，当今，人们可以通过ISDN、XDSL、有线电视网络的Cable Modem以及无线技术，如局域性多点分布服务 LDMS 等多种连接途径接至家庭的网络，享受宽带服务。无论采用何种宽带接入方案，人们都希望在Internet网上传送更多的多媒体信息，视频信号的传输无疑是多媒体信息传输的核心，而如何将视频信号高效的送入传输媒体，信号调制技术是一个重要的技术基础，本文主要从宽带接入的角度，谈谈宽带数据传输最基本的问题--调制技术。
一、调制技术是宽带接入的技术基础
    传输信息有两种方式：基带传输和调制传输。由信源直接生成的信号，无论是模拟信号还是数字信号，都是基带信号，其频率比较低。所谓基带传输就是把信源生成的数字信号直接送入线路进行传输，如音频市话、计算机间的数据传输等。载波传输则是用原信号去改变载波的某一参数实现频谱的搬移，如果载波是正弦波，则称为正弦波或连续波调制。
    调制技术是改变一个恒定波形的各种特性，例如幅度、频率和相位，编制成为与信息一致的唯一的码。通过任何媒体（金属线、光纤或无线）的数字传输都需要使用编码方案，将数字传输信息送入传输媒体。编码方案按照各种不同的社区宽带接入方式所提供的业务速度、要求的媒体质量、抗噪声干扰和复杂程度而不同，因此对于宽带接入，可以认为调制是价格的代名词。当前调制始终是专家讨论的热点话题，许多性质相反的开发与研究方案仍然在进行中。
二、当前宽带接入使用的主要调制方案
    目前，宽带接入网络系统中使用的一些重要调制方案主要有：
●开关键控（OOK）；
●2B1Q；
●正交相移键控（QPSK）；
●正交调幅（QAM）；
●离散多音（DMT）。

1、开关键控
    开关键控（OOK）是用在光纤传输的直观的简单调制方案。当发射器想发送二进制的"1"，激光器打开（光被发射出去），对于二进制的"0"，激光器关闭。发送任意的二进制序列，发射机只需简单地转换它的发射激光器的开或关，显然开/关非常地快。激光器开或关的时间周期称为符号时间（见图1）：

图1 开关键控示例

    每单元时间符号的数量称为符号率。当符号率非常的快（每秒数十亿个符号）保持收发同步的时钟恢复问题是一个重要的工程问题。但是相对低的符号率（每秒数千至数百万），以光纤和电子的电流状态恢复时钟便可稳定地传输。
2、2B1Q
    开关键控，每个符号传送一个逻辑比特。可是用不同的符号，每个符号可传送更多的比特，例如2B1Q（2比特1组四电平码），有4级振幅（电压）用于2位编码。因为有4级，每个符号代表2比特。示意如下表：

    2B1Q是幅度调制技术，在美国用于综合业务数字网（ISDN）和高数据率用户线（HDSL）业务。2B1Q的定义于1998年由美国国家标准协会（ANSI）和T.601规范。
    2B1Q每个符号产生2比特，因此它和每符号传送1比特的其他调制方案相比，2B1Q能传送两倍的数据。如果希望每个符号传送更多的比特，则必须用更多的电压电平。在每个符号时间内对k比特编码，需要2k级电压电平。当速度增加时，它增加了困难，因为接收机要精确地区分很多电压电平。2B1Q频谱效率限制了它在高比特率的使用，包括社区宽带网的应用，例如视频和高速数据检索。无论如何，2B1Q在已知的调制方案中是有优势的，它价格相对低廉，抵抗电话设备中观察到的干扰能力较强，因此有很适当的使用。
3、正交相移键控
    波形的其他要素，特别是相位，也能被编码信息调制。相位调制最简单的形式是不做任何幅度调制的相移键控（PSK），然而相移键控因为频谱利用率低，所以使用的并不普遍。
    正交相移键控（QPSK）使用偏置90度的同一频率发送两个波，每一个波的幅度被调制。QPSK达到每符号时间2比特的适度的频谱效率，并能够运行在无线传输及有线电视上行支路等比较苛刻的环境。由于相对低的价格，QPSK广泛用在现代系统中，例如直播卫星，有线电视上行支路电缆调制解调器中。
4、正交调幅
    QAM(Quadrature Amplitude Modulation)正交幅度调制技术是利用正交载波对两路信号，I信号和Q信号分别进行双边带抑制载波调幅形成的。通常有四进制QAM（16-QAM）、八进制QAM（64-QAM）等。
    正交相位键控（QPSK）实际是正交调幅（QAM）的一个特例，当每一个正交信号只有2个数值时，QAM与4-PSK完全相同，系统给一个专用的名字QPSK。像正交相位键控传输一样正交调幅传输包括两个波，I波和Q波（或正交波）。I和Q在偏置90度的同一个频率上传送。正交调幅的一个变异是QAM-64。QAM-64的每个波独立地用8电平调幅，两个波结合生成64个不同的电平幅度，因此产生QAM-64的术语。

    图3中给出了以16-QAM为例的星座图及电平和信号状态关系图。电平数和信号状态之间的关系为M=L2，其中L为电平数，M为信号状态。L为星座图上信号点在水平轴和垂直轴上投影的电平数。
    正交调幅能引出比2B1Q更高的频谱效率，例如QAM-64每个载波调制3比特，因此每个符号调制6比特。"清洁"的线路（平直效率响应和高的信噪比）允许更高的分等级调制。
    QAM-256每个载波能调制4比特，每个符号产生8比特。更高的幅度分级意味着更高的频谱效率，（bits/symbol）和每单位时间在媒体上有更多的数据。
    振幅级别数目和相角数目是线路质量的函数。高质量的线路（带有平滑的频率特性和高信噪比）允许更先进、更高频谱效率（b/Hz）的调制。
    各种正交调幅被示为nn QAM，其中nn是指每符号的状态数目的整数。每一符号时间的编码位数目是k，那么2k=nn。例如，如果以每符号4比特编码，结果为QAM-16；若以每符号6比特编码则产生QAM-64。
正交调幅技术在模拟电话调制解调器（V.32 和 V.34）中已经使用了很多年，它需要把很多比特通过相对窄的话音级电话线。当前QAM-16 已被建议，作为有线电视上行支路优选的调制方案。有线电视工程师协会（SCTE）已经规范了QAM-64和QAM-256作为有线电视数字传输视频调制方案。
    其他与正交调幅类似的调制技术是残留边带调幅（VSB），美国用在陆上数字电视传输，还有无载波调幅/调相（CAP）用在非对称数字用户线（ADSL）调制解调器。

    下图4中阐明了QAM的工作过程。为了简化I波和Q波用一半周期偏置（180度），实际上 QPSK 和 QAM 是90度偏置，但是图形没有差别。

5、离散多音
    QPSK，QAM和CAP是调制技术的例子，该技术基于不同次序排列的单载波（或两个单载波的拷贝，每一个对另一个有些偏置），称为单载波技术。载波的幅度、频率和相位可以被编码信息调制，已有大量的工业和国防使用经验。
    随着数字信号处理（Digital signal processing，DSP）的发展，现在多载波技术已成为可能。多载波技术使用大量带宽的集合并将其分为子波段，因此产生了多个并行的窄带通道。每一个子波段使用单载波技术，如QAM。各子波段的比特流在接收机被合在一起。多载波技术的重要例子是正交频分多路复用（orthogonal frequency division multiplexing，OFDM）和离散多音（discrete multitone，DMT）。
图5中是使用多载波调制非对称数字用户线（ADSL）的ANSI T1.413标准的例子。图中，1MHz被分为各 4kHz 的 256 个子波段。每一子波段由发送器使用单载波调制技术进行调制。接收器接收子波段并将 256 个载波数据结合在一起。
（1）、OFDM 和 DMT 的比较
    OFDM 和 DMT 的区别是 OFDM 对每一个波段使用通用调制模式。也就是说，每一子波段每秒传输相同数目的比特。OFDM 使用于欧洲的无线广播数字电视。在无线广播情况下，所有子波段被假设为具有统一的噪音特征，这样通用调制技术才有意义。

（2）、CAP和DMT比较：
    当前，对于ADSL，相互竞争的标准是CAP和DMT。
    CAP是使用宽信道的单载波技术，DMT是使用许多窄信道的多路载波技术。多载波技术与单载波技术相比有延迟的缺陷（传输一个比特的时延）。在用于ADSL的DMT情况下，有各为4KHz的256个子波段。这就意味着甚至在线路非常好的情况下，也不可能高于4KHz频带允许的比特传递速度。
    当前，在 DMT 和 CAP 这两种技术之间，关于调制技术最大的争论是在非对称数字用户线（ADSL）的应用。用于 ADSL 的 DMT 使用256个子波段，而CAP使用非常简单的单载波调幅QAM。目前，CAP 优于 DMT，由于低功耗，因此产生较少的热量，更成熟，即具有更多的实用和更高的集成度，所以价格也低。当前许多美国电话公司已经选择了DMT，原因是 DMT 为下一代的ADSL进行更新。目前ADSL系统广泛采用DMT作为调制技术。
    CAP调制是成熟和便宜的技术，但由于它是单载波调制，易受窄带干扰影响，因此，它的扩展性受到怀疑。DMT使用多载波，并且符合标准ANSI T1E1.4委员会T1.413文件和ITU G.992.1 。该标准定义了256个间隔 4KHz 的子载波，共占用1.024MHz频带。每个子载波上使用QAM-64调制，可下调至QPSK。如果每个子载波使用QAM-64调制，那么下行信道可支持6.1Mb/s。反向信道有32个子载波，最大能力为1.5Mb/s。
两者有许多实现上的差别：

b）、功耗
    尽管 DMT 明显接近于社区宽带网环境并且没有自适应均衡过程，但必须考虑其他因素。首先，以256个通道与 CAP 比较时，DMT在功耗（随之而来的是费用）上处于不利地位。因为多路载波的相互作用可能产生一个很强的信号，DMT存在峰值功率与平均功率比。DMT由于更高的计算要求而必须采用比收发器芯片更多的变换器。虽然没有公开的数字，但估计一个信号收发器即使采用更先进的技术也要消耗 5W 供电。因为在中心局或可控野外机箱（CEV）可能有成百上千个收发器，供电消耗显得非常重要。这将比CAP要求更多的散热。
c）、速度
    DMT 看起来比 CAP 具有速度优势。DMT作为一种多载波调制，可提供更高的工作速率，它将电话网中双绞线的可用频带（1MHz）划分为256个子信道，每个子信道带宽为4KHz。它可根据各子信道的性能来动态地分配各信道每字符可携带的比特数，关闭那些不能携带数据的子信道，这样使可用频带的平均传输率大大提高。因为窄带载波有相对很少的自适应均衡问题，更具有竞争力的调制技术，可以被用于每一个通道。如果CAP想要达到可比的比特率，它就必须使用更高的带宽，远高于1MHz。这就将在线上产生与高频相关的新问题，并将减少当前 CAP 在供电消耗上的优势。
    因此，毫无疑问，两种技术各将取得发展，这将缩小两种技术之间的距离。

三、选择调制技术的考虑
    对各种接入网选择调制技术，还应该结合实际需要在工程和开销上多考虑。
基于工程上的考虑主要有：
1、 规模--调制技术能否支持大系统和高比特率。
2、 抗噪能力--调制模式是否能够在现实环境的损伤条件下可靠地运行。
3、 包封--能否建造专用集成电路（Application Specific Integrated Circuits，ASIC），能否在各种环境，如不同接入网中实施，组件有多大？该项技术功耗多大？
4、 性能--频谱效率如何？延迟如何？
5、 价格--价格是考虑到用户市场时的主要因素。

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