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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 和 ASNI T1.413 Issue 2 所制定的標準。基本上，ADSL 的調變技術是採用 DMT（Discrete Multitone），但也有許多廠商以 CAP（Carrier-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。
圖 4-21 (a) 為 FDM 方式，上行頻寬範圍由 25 KHz 到 200 KHz 之間；而下行頻寬由 200 KHz 到 1.1 MHz，上/下行頻寬分開使用。圖 4-21 (b) 為 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 和 EC 兩種頻寬使用方式。
圖 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）是 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。
圖 4-22 QPSK 調變技術的基本原理
圖 4-22 為 16-QPSK 調變技術的基本原理，利用 PSK 和 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 和 ASK 混合調變後訊號，都可以轉換成 sin 和 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 X、Y 兩群，X 值用 cosine 波形調變，成為 I（In-phase）分支訊號；而 Y 值用 sine 波形調變，成為 Q（Quadrature）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) 為 16-QAM 之四象限座標圖。
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。
圖 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 或 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） 以 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 或
下行傳輸速率 = 250 × 4 KHz × 8 bits/Hz = 8 Mbps（使用回聲消除技術）
圖 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 QAM、256 QAM 或 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。
圖 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 PDH（T1 或 E1）的傳輸功能，因此，在訊框的設計方面，非常類似 T1 或 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 為 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 個 ADSL 資料訊框和一個控制訊框（synch）所構成。也就是，ADSL 每 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）和『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 BCH（Bose, 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。
圖 4-27 ADSL 訊框格式