ADSL技术概述-阿里云开发者社区

公司产品支持DSL模块，需要搭测试环境。之前没做过DSL的东西，参考了些文档并搭了环境，顺便给team做了个初步的培训。

1. ADSL基本概念

Digital Subscriber Line (DSL) technology is a modem technology that uses existing twisted-pair telephone lines to transport high-bandwidth data.

ADSL technique creates three information channels: a high-speed downstream channel, a medium-speed duplex channel, and a basic telephone service channel.

ADSL是个频分复用的技术。高频段，中频段和低频段对应下行，上行和语音流。

上面这个图的频段划分未必争取，因为现在有不同的DSL技术和标准。

现在中国很多ISP已经开始启用二代的ADSL技术了，可以看到，二代ADSL技术的下行速率已经可以达到几十兆的性能。

2. ADSL的基本标准

G.dmt和G.lite是最常用的标准，现在ADSL2/2+也开始部署。一代二代ADSL都是使用G.hs的握手协议。

Current standards are G992.1(G.dmt), G992.2(G.lite) from ITU Organization and T1.413 issue 2 from ANSI.

G.dmt and T1.413 downstream speed can reach 8Mbps above，but G.lite downtream speed can only reach1.5Mbps. This is the reason why G.dmt and T1.413 are full rate mode. G.lite is low rate mode but splitter is not required.

2002 May，ITU-T released second generation ADSL standard ADSL2(G.992.3) and ADSL2(G.992.4) without splitter, 2003 Jan ADSL2+(G.992.5) was released.

ITU defined xDSL special handshake standard G994.1（G.hs）, G.dmt and G.lite integrate this handshake standard both, the standard can be called G.dmt and G.lite standards’ G.hs way. ADSL2 and ADSL2+use G994.1 too.
G994.1 defines startup hand shake procedures for DSL transceivers to exchange capabilities and to select a common mode of operation

G994.1:

How CO determine the operation mode?
G.992.x and T1.413 use different handshake signal. G.992.x and T1.413 use different frequency group for handshake.

3. ADSL基本部署拓扑

4. ADSL的参数和算法

讲这些之前，先过一下基本的通信原理比较好。

信源输入与转换->信源编码->信道编码->调制->信道传输->解调->信道解码->信源解码->转换与输出

(1)首先看看信源编码技术

Signal encode，乃奎斯特定理是基础，一般采用非均匀量化技术，比如常用的A律。

ADSL采用的是RS编码技术。大家可以参考PCM编码的数字量化表示，由于RS编码比较复杂。

Nyquist–Shannon sampling theorem
In essence, the theorem shows that a bandlimited analog signal that has been sampled can be perfectly reconstructed from an infinite sequence of samples if the sampling rate exceeds 2B samples per second, where B is the highest frequency in the original signal.

Sampling: uniform sampling and non-uniform sampling (采样分为均匀量化和非均匀量化)
e.g.
[0,10] sampling as 0.5, 1.5, 2.5, … , 9.5 there are two signal 0.9 and 9.9
SNdb = 10lg(0.9*0.9/0.4*0.4) = 7dB
SNdb = 10lg(9.9*9.9/0.4*0.4) = 27dB

PCM encode
e.g. only for demo but not real encode algorithm and 4bit is used for PCM encode here.
          6T         5T        7T        8T        4T        0T        1T        2T       3T
Value    -1.76     -0.75   -0.2     0.4       1.9       2.1       3.2      3.4      3.9
Sample -1.75    -0.75    -0.25   0.25     1.75    2.25     3.25    3.25    3.75
Encode 0100     0110   0111   1000    1001   1011    1100   1110   1111

DPCM encode

RS encode(Reed-Solomon)
ADSL is using RS encode. Due to limitations in system architecture, specifically the maximum allowable Reed-Solomon codeword size (255 bytes)

信源编码的目的是用最少的比特位传输相同信息量。
信源编码的效率是通过压缩冗余度来完成的。

(2)信道编码

信源编码的基础上，保证信号无差错的端到端传输。利用信道编码，加入冗余位来完成。检测重发机制，前向纠错机制，反馈校正机制是常用的技术。

下面举了个简单的例子讲解多个bit位做信道编码并且有纠错机制。

e.g. demo: 1bit is enough for ok/nok. Two more bits are used for channel encode and error recovery.
000 = ok
111 = nok

信道编码常用的技术有线性分组码，卷积码，Turbo码，奇偶校验码等。

ADSL使用了多种信道编码机制。

a. ADSL可以使用Trellis Code(TCM)编码方式，通过加入冗余位来实现。

b. Interleave and Fast
interleave(交织技术)就是把码字的b个比特分散到n个帧中，改变比特间的临近关系，n值越大，传输特性越好，但是传输时延也越大。所谓交织技术，是为了应对变参信道而设计的一种干扰平均化的技术。
i 为了克服某条路径线路衰落带来的失真，可以接受多条信道的方法，使得空间路径带来的干扰平均化，称为空间分集。
ii 为了克服某个频率的干扰带来的失真，采用跳频的方式使得干扰在几个载频间平均，称为频率分集。
iii 最上面的描述，属于时间分集。

三种分集技术，本质上是一致的，都是为了使得干扰平均化。

c. supper frame

每个超帧包含68个ADSL数据帧(date symbol)，标号从0-67，其后跟随一个同步帧，作用在于建立超帧边界。

ADSL utilizes a superframe structure for data frame transmission. 68 DMT data frames, numbered from 0 to 67, are grouped together to form a superframe, as shown in Figure 8. Each superframe is actually 69 data frames; the 69th data frame is a synchronization symbol inserted by the DMT modulator to establish superframe boundaries. To allow for insertion of the synchronization symbol (while maintaining the 4000 frames per second data frame rate) the transmit frame rate is actually increased to 69/68 * 4000 frames per second. Figure 8 was taken from section 6.4.1.1 of ANSI T1.413-1998.

(3) 调制技术

调制技术这里不相信说。调制都是针对的模拟信号。

a. 信道匹配，高频适合远距离传输
b. 天线尺寸，理论天线尺寸为电磁波长1/4
c. 频分复用

DMT下行支持最大256个子载波，Sub-carrier 256, the downstream Nyquist frequency, and sub-carrier 64, the downstream pilot frequency, are not available for user data，所以最大254个子载波承载用户数据。
由于DMT的数据帧率为4000每秒，每个子载波支持的编码为15bit，理论ADSL的下行最大速率为(4000×15×254)/(1000×1000) = 15.24Mbps.

采用RS编码技术的情况下，

理论最大下行速率为(255×8×4000)/(1000×1000) = 8.16Mbps

The limitation of maximum allowable Reed-Solomon codeword size can be overcome if the interleaved data path is used (with S=1/2, where S is the number of data frames per RS codeword). Using the interleaved data path, which will be discussed in detail later, two Reed-Solomon codewords can be mapped to a single FEC output data frame.
ADSL2+的情况下，S的最大值可以到1/4。下行速率最大可以到32Mbps。

G.lite模式采用的是半频谱，也就是128个子载波，每个子载波上承载的比特数为8，所以G.lite模式的下行速率很低。

(4) 解调技术

(5) ADSL的调制技术

ADSL中，目前主要采用离散多音复用（Discrete Multitone，DMT）和调无载波幅度和相位（Carrierless Amplitude/Phase Modulation，CAP）两种调制方法。两种方法的共同点是DMT和CAP都使用正交幅度调制（QAM）。两者的区别是，在CAP中，数据被调制到单一载波之上；在DMT中，数据被调制到多个载波之上，每个载波上的数据使用QAM进行调制。两者相比，显然DMT技术更复杂，成本也要稍高一些。但由于DMT对线路的依赖性低，并且有很强的抗干扰和自适应能力，具有更强的适用性，从而得到广泛应用。

QAM(正交调幅)调制技术，可以看成ASK和PSK的技术结合或者QPSK的一种逻辑扩展。
ASK(幅移键控)

               Acos2pift 1    A!=0
    s(t)=
               0  0               A=0

BPSK(二级相移键控) 相位相差180

               Acos2pift 1
    s(t)=
               Acos(2pift + pi) 0

QPSK(四级相移键控) 相位相差90，正好正交

Acos(2pift+pi/4) 11
Acos(2pift+3pi/4) 01

(6) ADSL同步机制

接收端必须能够确定每个比特位置的起始和终止时间。一种可以使用独立的时钟信道，另一种可以基于发送信号的同步机制，可以通过适当的编码来达到。

(7) ADSL噪声，衰减，差错率

5. ATM

(1) ATM基本概念

As defined in ANSI T1.413-1998 and DMT support asynchronous (ATM) or synchronous (STM) based bearer services, “the transport of data at a certain rate without regard to its content, structure, or protocol,” through the use of bearer channels.

(2) 何为同步？何为异步？

ATM从字面上看是异步传输技术。下图可以帮助大家理解何为异步？