TCP/IP 協定與 Internet 網路:第四章 廣域網路連結  上一頁         下一頁

 

翻轉工作室:粘添壽

 

4-6 ADSL 寬頻網路

        『非對稱數位用戶迴路』(Asymmetric Digital Subscriber Line, ADSL表示上行和下行傳輸速率不同,是依據 ATM Forum ASNI T1.413 Issue 2 所制定的標準。基本上,ADSL 的調變技術是採用 DMTDiscrete Multitone),但也有許多廠商以 CAPCarrier-less Amplitude/Phase)調變技術生產 ADSL Modem。不論採用何種調變技術,對於纜線頻寬的使用可分為『頻率分割多工』(Frequency Division Multiplexing, FDM)和『回聲消除』(Echo Cancelling, EC兩種。

4-21 (a) FDM 方式,上行頻寬範圍由 25 KHz 200 KHz 之間;而下行頻寬由 200 KHz 1.1 MHz,上/下行頻寬分開使用。圖 4-21 (b) EC 方式,上行頻寬部分成為雙向使用,當 ADSL 下行傳送資料時,也可以利用上行頻寬。因此,EC 方式可以充分利用頻寬,對於下行傳輸速率可以提高,但相對應的,必須消除雙向傳輸所產生的『回聲』(Echo。依照 ANSI T1.423 中規範,DMT 調變技術必須提供 FDM EC 兩種頻寬使用方式。

4-21 ADSL 之頻寬分配

4-6-1 QAM/CAP 調變技術

        『四象限振幅調變』(Quadrature Amplitude Modulation, QAM ADSL 調變的基本技術,它的調變技術非常類似『四象限相位偏移鍵』(Quadrature Phase-Shift Keying, QPSK。首先,我們來探討 QPSK,再依其理論推展出 QAM 的製作原理。基本上,數位訊號調變為類比訊號有三種基本技術:振幅位移鍵(Amplitude Shift Keying, ASK)、頻率位移鍵(Frequency Shift Key, FSK)及相位位移鍵(Phase Shift Key, PSK)。如果僅用 PSK 調變技術,依照不同的相位來表示各種位元資料,以四種相位偏移為例子,其相位偏移量為 900 的倍數,就可以表示兩個位元的資料,表示資料如下:(假設:載波訊號為 Acos(2πfCt)A 為振幅大小、傳送訊號為 s(t)

00 s(t) = Acos(2πfCt + 2250)

01 s(t) = Acos(2πfCt + 3150)

10 s(t) = Acos(2πfCt + 1350)

11 s(t) = Acos(2πfCt + 450)

由上述可知,我們可以用四個角度表示二個位元資料,同理,如使用八個角度,則可表示三位元的資料,如果,我們再將振幅位移調變加入相位位移調變之中,以二個振幅大小(A1, A2),混合調變之後就可以表示四位元資料,這就是 16-QPSK 的製作原理(16 種數據變化),如圖 4-22 所示。

4-22 QPSK 調變技術的基本原理

        4-22 16-QPSK 調變技術的基本原理,利用 PSK ASK 混合調變技術,圖 4-22 (a) 為每一筆訊號之向量圖,如果以零角度為 cos 座標,900 度為 sin 座標,各筆訊號的四象限位置如圖 4-22 (b) 所示。但 QAM 的調變技術在製作上與 QPSK 有點不同,它是以反方向製作,原理如下說明:依照三角函數計算,PSK ASK 混合調變後訊號,都可以轉換成 sin cos 的函數訊號的合成:(A 和θ 是變化性的)

Acos(2πfCt + θ) = A1cos(2πfCt) + A2 sin(2πfCt)

因此,在 QAM 的調變技術之中,我們可以取某些位元由 A1cos(2πfCt) 來表示,以變化不同的 A1 表示位元資料,另一方面,某些位元由 A2 sin(2πfCt) 表示,也是變化不同的 A2 表示各種資料。再將兩序列的訊號混合起來(A1cos(2πfCt) + A2 sin(2πfCt)),就成為 QAM 調變訊號。製作方式如圖 4-23 (a) 所示,首先將輸入之位元分為 XY 兩群,X 值用 cosine 波形調變,成為 IIn-phase)分支訊號;而 Y 值用 sine 波形調變,成為 QQuadrature)分支訊號,兩分支訊號再混合而成,也因此稱之為『四象限振幅調變』(QAM)。圖 4-23 (b) 16-QAM 之四象限座標圖。

4-23 QAM 調變技術

        『無載波之振幅與相位調變』(Carrier-less Amplitude and Phase Modulation, CAP也是 QAM 應用的一種,當產生 QAM 訊號後,將載波訊號(cos(2πfCt))濾掉,只剩下調變之變化訊號,再將它發送到 ADSL 纜線上。當對方接收到無載波訊號後,必須再回復原來的載波訊號,才可以從事解譯的工作。圖 4-24 (a) 為原來 QAM 之具有載波的訊號波形,濾掉載波訊號後之波形,如圖 4-24 (b) 所示。因此,在纜線傳送之中,就可以減少載波訊號,不論在消耗功率或訊號干擾方面都較為理想,一般無線電或有線電的訊號傳輸都用此方法。

4-24 CAP 調變技術

4-6-2 DMT 調變技術

        『離散多聲道調變』(Discrete Multitone Modulation, DMT也是 QAM 應用的一種,但不同於 CAP 調變,CAP 是將所欲傳送的資料位元數,區分為兩部分以 sine cosine 在整個傳輸頻寬(上行或下行)上調變。而 DMT 是將傳輸頻寬區分為若干個小通道,而每一通道再分別以 QAM 調變技術載入傳送資料。

我們將 ADSL 纜線的頻寬(0 ~ 1.1 MHz 4.3125 KHz (一般簡稱為 4 KHz)為一小頻寬,分割成 256 個子通道(Sub-carrier)。#1 ~ #6 子通道預留給原電話語音使用(佔 25.875 KHz),#7 ~ #38 之間計有 32 個子通道作為上行傳輸使用(或雙向使用),其餘 218 個子通道作為下行傳輸使用,子通道之分配如圖 4-25 所示。上下行的子通道總和為 250 個,如果使用『回聲消除』技術,250 個子通道都可作為下行傳輸使用。如果以 T1.413 規範為例子,每個通道上以 256 QAM 調變技術,那麼每個訊號變化週期就可以承載 8 位元資料(8 bits/Hz),每個子通道頻寬為 4 KHz,就可以承載 32 Kbits= 4 KHz × 8bits/Hz)。上下行的傳輸速率的計算如下:

傳輸速率 = 子通道數目 × 子通道頻寬 × 每個訊號週期的傳輸率

上行傳輸速率 = 32 × 4 KHz × 8 bits/Hz = 1024 Kbps = 1.024 Mbps

下行傳輸速率 = 218 × 4 KHz × 8 bits/Hz = 6976 Kbps

下行傳輸速率 = 250 × 4 KHz × 8 bits/Hz = 8 Mbps(使用回聲消除技術)

4-25 DMT 之頻分配

        上述的計算是一種理想狀態,一般在透過媒介傳輸訊號時,容易受外來的干擾訊號影響,造成某一小通道上有雜訊,或是傳輸媒介的阻抗及衰減等因素,使各小通道上的增益也不會相同,如圖 4-26 所示。DMT 會依照各小頻道上所能傳送之訊號電位大小,來決定每一頻道所能載送的位元數量(128 QAM256 QAM 512 QAM 調變技術),或者停止某一頻道上的傳輸。因此,DMT 的調變方式可以依照 ADSL 線路品質,自動調整傳送速率,可適用於『調適速率 DSL』(Rate-Adaptive DSL, RADSL),這也是 DMT 成為標準規範的主要原因。但 DMT 的數位訊號處理技術比較困難達成,而且在『回聲消除』方面也較困難,隨著新技術的發展,目前這些困難已漸漸能克服。

4-26 DMT 調變技術的實際情況

4-6-3 ADSL 訊框格式

        ADSL 是數據傳輸機制,如何將欲傳輸的數據整合於訊框之內,也是一件重要的課題。早期設計 ADSL 的最主要目的,是要它具有類似 PDHT1 E1)的傳輸功能,因此,在訊框的設計方面,非常類似 T1 E1 的格式,傳輸速率也以 32 Kbps 的倍數計算。但隨著非同步傳輸的應用越來越廣泛,ADSL 的訊框格式也區分為同步傳輸和非同步傳輸兩大類,但訊框格式都如同圖 4-15 所示。圖 4-27 ADSL 的超級訊框,每 17 ms 送出一個超級訊框(Superframe)。不論上行或下行傳輸,每一個超級訊框是由 68 ADSL 資料訊框和一個控制訊框(synch)所構成。也就是,ADSL 246 μs 送出一個訊框,69 個訊框佔有 17 ms。各子通道也依照傳輸速率的大小,來決定填入資料訊框內資料的多寡。

ADSL 訊框是由『快速資料緩衝器』(Fast Data Buffer『插頁資料緩衝器』(Interleaved Data Buffer兩部分所構成。各個通道的資料經過攪拌及『順向錯誤修正』(Forward Error Correction, FEC編碼後,填入這兩個緩衝器內。資料經過攪拌後(攪拌產生器為 1+ X18 + X23)較容易處理 FEC 編碼。FEC 是採用 Reed Solomon 編碼技巧,它是 BCHBose, Chaudhri, and Hocquenghem)編碼的一種,可處理二進位或非二進位的錯誤修正碼(請參考有關錯誤控制編碼的書籍)。資料經過 FEC 編碼後,將產生之多餘檢查碼以交錯方式,放置在插頁資料緩衝器之中,以便對方接收時作錯誤修正之用。

4-27 ADSL 訊框格式

 

 

<GOTOP>