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淺談寬帶接入網(wǎng)絡(luò)的調(diào)制技術(shù)
淺談寬帶接入網(wǎng)絡(luò)的調(diào)制技術(shù)
2002中國西部地區(qū)電視技術(shù)年會優(yōu)秀論文三等獎 信息時代的到來使得人們對寬帶業(yè)務(wù)的需求日益強烈，因而大大推動了各種寬帶接入技術(shù)的發(fā)展，當(dāng)今，人們可以通過ISDN、XDSL、有線電視網(wǎng)絡(luò)的Cable Modem以及無線技術(shù)，如局域性多點分布服務(wù) LDMS 等多種連接途徑接至家庭的網(wǎng)絡(luò)，享受寬帶服務(wù)。無論采用何種寬帶接入方案，人們都希望在Internet網(wǎng)上傳送更多的多媒體信息，視頻信號的傳輸無疑是多媒體信息傳輸?shù)暮诵�，而如何將視頻信號高效的送入傳輸媒體，信號調(diào)制技術(shù)是一個重要的技術(shù)基礎(chǔ)，本文主要從寬帶接入的角度，談?wù)剬拵?shù)據(jù)傳輸最基本的問題--調(diào)制技術(shù)。
一、調(diào)制技術(shù)是寬帶接入的技術(shù)基礎(chǔ)
傳輸信息有兩種方式：基帶傳輸和調(diào)制傳輸。由信源直接生成的信號，無論是模擬信號還是數(shù)字信號，都是基帶信號，其頻率比較低。所謂基帶傳輸就是把信源生成的數(shù)字信號直接送入線路進行傳輸，如音頻市話、計算機間的數(shù)據(jù)傳輸?shù)�。載波傳輸則是用原信號去改變載波的某一參數(shù)實現(xiàn)頻譜的搬移，如果載波是正弦波，則稱為正弦波或連續(xù)波調(diào)制。
調(diào)制技術(shù)是改變一個恒定波形的各種特性，例如幅度、頻率和相位，編制成為與信息一致的唯一的碼。通過任何媒體（金屬線、光纖或無線）的數(shù)字傳輸都需要使用編碼方案，將數(shù)字傳輸信息送入傳輸媒體。編碼方案按照各種不同的社區(qū)寬帶接入方式所提供的業(yè)務(wù)速度、要求的媒體質(zhì)量、抗噪聲干擾和復(fù)雜程度而不同，因此對于寬帶接入，可以認(rèn)為調(diào)制是價格的代名詞。當(dāng)前調(diào)制始終是專家討論的熱點話題，許多性質(zhì)相反的開發(fā)與研究方案仍然在進行中。
二、當(dāng)前寬帶接入使用的主要調(diào)制方案
目前，寬帶接入網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中使用的一些重要調(diào)制方案主要有：
●開關(guān)鍵控（OOK）；
●2B1Q；
●正交相移鍵控（QPSK）；
●正交調(diào)幅（QAM）；
●離散多音（DMT）。
1、開關(guān)鍵控
開關(guān)鍵控（OOK）是用在光纖傳輸?shù)闹庇^的簡單調(diào)制方案。當(dāng)發(fā)射器想發(fā)送二進制的"1"，激光器打開（光被發(fā)射出去），對于二進制的"0"，激光器關(guān)閉。發(fā)送任意的二進制序列，發(fā)射機只需簡單地轉(zhuǎn)換它的發(fā)射激光器的開或關(guān)，顯然開/關(guān)非常地快。激光器開或關(guān)的時間周期稱為符號時間（見圖1）：
圖1 開關(guān)鍵控示例
每單元時間符號的數(shù)量稱為符號率。當(dāng)符號率非常的快（每秒數(shù)十億個符號）保持收發(fā)同步的時鐘恢復(fù)問題是一個重要的工程問題。但是相對低的符號率（每秒數(shù)千至數(shù)百萬），以光纖和電子的電流狀態(tài)恢復(fù)時鐘便可穩(wěn)定地傳輸。
2、2B1Q
開關(guān)鍵控，每個符號傳送一個邏輯比特�？墒怯貌煌姆�，每個符號可傳送更多的比特，例如2B1Q（2比特1組四電平碼），有4級振幅（電壓）用于2位編碼。因為有4級，每個符號代表2比特。示意如下表：
2B1Q是幅度調(diào)制技術(shù)，在美國用于綜合業(yè)務(wù)數(shù)字網(wǎng)（ISDN）和高數(shù)據(jù)率用戶線（HDSL）業(yè)務(wù)。2B1Q的定義于1998年由美國國家標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會（ANSI）和T.601規(guī)范。
2B1Q每個符號產(chǎn)生2比特，因此它和每符號傳送1比特的其他調(diào)制方案相比，2B1Q能傳送兩倍的數(shù)據(jù)。如果希望每個符號傳送更多的比特，則必須用更多的電壓電平。在每個符號時間內(nèi)對k比特編碼，需要2k級電壓電平。當(dāng)速度增加時，它增加了困難，因為接收機要精確地區(qū)分很多電壓電平。2B1Q頻譜效率限制了它在高比特率的使用，包括社區(qū)寬帶網(wǎng)的應(yīng)用，例如視頻和高速數(shù)據(jù)檢索。無論如何，2B1Q在已知的調(diào)制方案中是有優(yōu)勢的，它價格相對低廉，抵抗電話設(shè)備中觀察到的干擾能力較強，因此有很適當(dāng)?shù)氖褂谩?br />3、正交相移鍵控
波形的其他要素，特別是相位，也能被編碼信息調(diào)制。相位調(diào)制最簡單的形式是不做任何幅度調(diào)制的相移鍵控（PSK），然而相移鍵控因為頻譜利用率低，所以使用的并不普遍。
正交相移鍵控（QPSK）使用偏置90度的同一頻率發(fā)送兩個波，每一個波的幅度被調(diào)制。QPSK達到每符號時間2比特的適度的頻譜效率，并能夠運行在無線傳輸及有線電視上行支路等比較苛刻的環(huán)境。由于相對低的價格，QPSK廣泛用在現(xiàn)代系統(tǒng)中，例如直播衛(wèi)星，有線電視上行支路電纜調(diào)制解調(diào)器中。
4、正交調(diào)幅
QAM(Quadrature Amplitude Modulation)正交幅度調(diào)制技術(shù)是利用正交載波對兩路信號，I信號和Q信號分別進行雙邊帶抑制載波調(diào)幅形成的。通常有四進制QAM（16-QAM）、八進制QAM（64-QAM）等。
正交相位鍵控（QPSK）實際是正交調(diào)幅（QAM）的一個特例，當(dāng)每一個正交信號只有2個數(shù)值時，QAM與4-PSK完全相同，系統(tǒng)給一個專用的名字QPSK。像正交相位鍵控傳輸一樣正交調(diào)幅傳輸包括兩個波，I波和Q波（或正交波）。I和Q在偏置90度的同一個頻率上傳送。正交調(diào)幅的一個變異是QAM-64。QAM-64的每個波獨立地用8電平調(diào)幅，兩個波結(jié)合生成64個不同的電平幅度，因此產(chǎn)生QAM-64的術(shù)語。
圖3中給出了以16-QAM為例的星座圖及電平和信號狀態(tài)關(guān)系圖。電平數(shù)和信號狀態(tài)之間的關(guān)系為M=L2，其中L為電平數(shù)，M為信號狀態(tài)。L為星座圖上信號點在水平軸和垂直軸上投影的電平數(shù)。
正交調(diào)幅能引出比2B1Q更高的頻譜效率，例如QAM-64每個載波調(diào)制3比特，因此每個符號調(diào)制6比特。"清潔"的線路（平直效率響應(yīng)和高的信噪比）允許更高的分等級調(diào)制。
QAM-256每個載波能調(diào)制4比特，每個符號產(chǎn)生8比特。更高的幅度分級意味著更高的頻譜效率，（bits/symbol）和每單位時間在媒體上有更多的數(shù)據(jù)。
振幅級別數(shù)目和相角數(shù)目是線路質(zhì)量的函數(shù)。高質(zhì)量的線路（帶有平滑的頻率特性和高信噪比）允許更先進、更高頻譜效率（b/Hz）的調(diào)制。
各種正交調(diào)幅被示為nn QAM，其中nn是指每符號的狀態(tài)數(shù)目的整數(shù)。每一符號時間的編碼位數(shù)目是k，那么2k=nn。例如，如果以每符號4比特編碼，結(jié)果為QAM-16；若以每符號6比特編碼則產(chǎn)生QAM-64。
正交調(diào)幅技術(shù)在模擬電話調(diào)制解調(diào)器（V.32 和 V.34）中已經(jīng)使用了很多年，它需要把很多比特通過相對窄的話音級電話線。當(dāng)前QAM-16 已被建議，作為有線電視上行支路優(yōu)選的調(diào)制方案。有線電視工程師協(xié)會（SCTE）已經(jīng)規(guī)范了QAM-64和QAM-256作為有線電視數(shù)字傳輸視頻調(diào)制方案。
其他與正交調(diào)幅類似的調(diào)制技術(shù)是殘留邊帶調(diào)幅（VSB），美國用在陸上數(shù)字電視傳輸，還有無載波調(diào)幅/調(diào)相（CAP）用在非對稱數(shù)字用戶線（ADSL）調(diào)制解調(diào)器。
下圖4中闡明了QAM的工作過程。為了簡化I波和Q波用一半周期偏置（180度），實際上 QPSK 和 QAM 是90度偏置，但是圖形沒有差別。
5、離散多音
QPSK，QAM和CAP是調(diào)制技術(shù)的例子，該技術(shù)基于不同次序排列的單載波（或兩個單載波的拷貝，每一個對另一個有些偏置），稱為單載波技術(shù)。載波的幅度、頻率和相位可以被編碼信息調(diào)制，已有大量的工業(yè)和國防使用經(jīng)驗。
隨著數(shù)字信號處理（Digital signal processing，DSP）的發(fā)展，現(xiàn)在多載波技術(shù)已成為可能。多載波技術(shù)使用大量帶寬的集合并將其分為子波段，因此產(chǎn)生了多個并行的窄帶通道。每一個子波段使用單載波技術(shù)，如QAM。各子波段的比特流在接收機被合在一起。多載波技術(shù)的重要例子是正交頻分多路復(fù)用（orthogonal frequency division multiplexing，OFDM）和離散多音（discrete multitone，DMT）。
圖5中是使用多載波調(diào)制非對稱數(shù)字用戶線（ADSL）的ANSI T1.413標(biāo)準(zhǔn)的例子。圖中，1MHz被分為各 4kHz 的 256 個子波段。每一子波段由發(fā)送器使用單載波調(diào)制技術(shù)進行調(diào)制。接收器接收子波段并將 256 個載波數(shù)據(jù)結(jié)合在一起。
（1）、OFDM 和 DMT 的比較
OFDM 和 DMT 的區(qū)別是 OFDM 對每一個波段使用通用調(diào)制模式。也就是說，每一子波段每秒傳輸相同數(shù)目的比特。OFDM 使用于歐洲的無線廣播數(shù)字電視。在無線廣播情況下，所有子波段被假設(shè)為具有統(tǒng)一的噪音特征，這樣通用調(diào)制技術(shù)才有意義。
（2）、CAP和DMT比較：
當(dāng)前，對于ADSL，相互競爭的標(biāo)準(zhǔn)是CAP和DMT。
CAP是使用寬信道的單載波技術(shù)，DMT是使用許多窄信道的多路載波技術(shù)。多載波技術(shù)與單載波技術(shù)相比有延遲的缺陷（傳輸一個比特的時延）。在用于ADSL的DMT情況下，有各為4KHz的256個子波段。這就意味著甚至在線路非常好的情況下，也不可能高于4KHz頻帶允許的比特傳遞速度。
當(dāng)前，在 DMT 和 CAP 這兩種技術(shù)之間，關(guān)于調(diào)制技術(shù)最大的爭論是在非對稱數(shù)字用戶線（ADSL）的應(yīng)用。用于 ADSL 的 DMT 使用256個子波段，而CAP使用非常簡單的單載波調(diào)幅QAM。目前，CAP 優(yōu)于 DMT，由于低功耗，因此產(chǎn)生較少的熱量，更成熟，即具有更多的實用和更高的集成度，所以價格也低。當(dāng)前許多美國電話公司已經(jīng)選擇了DMT，原因是 DMT 為下一代的ADSL進行更新。目前ADSL系統(tǒng)廣泛采用DMT作為調(diào)制技術(shù)。
CAP調(diào)制是成熟和便宜的技術(shù)，但由于它是單載波調(diào)制，易受窄帶干擾影響，因此，它的擴展性受到懷疑。DMT使用多載波，并且符合標(biāo)準(zhǔn)ANSI T1E1.4委員會T1.413文件和ITU G.992.1 。該標(biāo)準(zhǔn)定義了256個間隔 4KHz 的子載波，共占用1.024MHz頻帶。每個子載波上使用QAM-64調(diào)制，可下調(diào)至QPSK。如果每個子載波使用QAM-64調(diào)制，那么下行信道可支持6.1Mb/s。反向信道有32個子載波，最大能力為1.5Mb/s。
兩者有許多實現(xiàn)上的差別：
b）、功耗
盡管 DMT 明顯接近于社區(qū)寬帶網(wǎng)環(huán)境并且沒有自適應(yīng)均衡過程，但必須考慮其他因素。首先，以256個通道與 CAP 比較時，DMT在功耗（隨之而來的是費用）上處于不利地位。因為多路載波的相互作用可能產(chǎn)生一個很強的信號，DMT存在峰值功率與平均功率比。DMT由于更高的計算要求而必須采用比收發(fā)器芯片更多的變換器。雖然沒有公開的數(shù)字，但估計一個信號收發(fā)器即使采用更先進的技術(shù)也要消耗 5W 供電。因為在中心局或可控野外機箱（CEV）可能有成百上千個收發(fā)器，供電消耗顯得非常重要。這將比CAP要求更多的散熱。
c）、速度
DMT 看起來比 CAP 具有速度優(yōu)勢。DMT作為一種多載波調(diào)制，可提供更高的工作速率，它將電話網(wǎng)中雙絞線的可用頻帶（1MHz）劃分為256個子信道，每個子信道帶寬為4KHz。它可根據(jù)各子信道的性能來動態(tài)地分配各信道每字符可攜帶的比特數(shù)，關(guān)閉那些不能攜帶數(shù)據(jù)的子信道，這樣使可用頻帶的平均傳輸率大大提高。因為窄帶載波有相對很少的自適應(yīng)均衡問題，更具有競爭力的調(diào)制技術(shù)，可以被用于每一個通道。如果CAP想要達到可比的比特率，它就必須使用更高的帶寬，遠(yuǎn)高于1MHz。這就將在線上產(chǎn)生與高頻相關(guān)的新問題，并將減少當(dāng)前 CAP 在供電消耗上的優(yōu)勢。
因此，毫無疑問，兩種技術(shù)各將取得發(fā)展，這將縮小兩種技術(shù)之間的距離。
三、選擇調(diào)制技術(shù)的考慮
對各種接入網(wǎng)選擇調(diào)制技術(shù)，還應(yīng)該結(jié)合實際需要在工程和開銷上多考慮。
基于工程上的考慮主要有：
1、 規(guī)模--調(diào)制技術(shù)能否支持大系統(tǒng)和高比特率。
2、 抗噪能力--調(diào)制模式是否能夠在現(xiàn)實環(huán)境的損傷條件下可靠地運行。
3、 包封--能否建造專用集成電路（Application Specific Integrated Circuits，ASIC），能否在各種環(huán)境，如不同接入網(wǎng)中實施，組件有多大？該項技術(shù)功耗多大？
4、 性能--頻譜效率如何？延遲如何？
5、 價格--價格是考慮到用戶市場時的主要因素。
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