多媒体终端产品技术现状及展望

随着电信核心传输网络的光纤化、宽带化，带宽成本急剧下降，将用户设备接入核心传输网的接入网成为制约用户享用网络上丰富信息资源的瓶颈，接入网技术便成为90年代以来的研究热点。在各种接入网技术中，利用现有电话用户线的数字用户线技术，因为可充分发挥电信运营商已有的巨大的用户线资源潜力，覆盖面广，不需要投入大量资金进行新的基本建设，能基本满足一段时期内用户使用宽带信息业务的需要，因而受到极大的重视。

　　在总称为xDSL的各种数字用户线技术中，HDSL和ADSL是发展成熟、使用面广、最为人熟知的两种。近年来，随着技术的发展，又出现了采用新技术的HDSL2和特别适合于普通用户上网使用的简化型ADSL??G.Lite ADSL。此外在文献资料中还可看到有许多冠以不同字头的xDSL，如SDSL、UADSL、CIDSL、RADSL、IDSL等。

　　1、 HDSL和HDSL2

　　HDSL(高速数字用户线)是Bellcore在80年代末首先开发成功的第一种利用普通电话用户线实现宽带接入的数字用户线技术，是为了满足当时对T1、E1线路的高需求而开发的一种利用现有电话用户线的廉价替代技术。它利用三对(已过时，但还在用)、两对(目前最普遍)或一对(可用传输距离稍短)用户线，提供双向对称全双工的T1(北美体制)或E1(欧洲体制)速率的传输能力，无中继传输距离可达3.6km(12 000英尺)以上,足以覆盖Bell公司所规定的电信公司服务区(CSA), 而一线对的只能达到CSA的70％～80％。

　　各种数字用户线技术都需要解决以下几方面的问题：高效率的调制技术；上下行信号互不干扰；对抗各种线路损伤(衰减、串音、桥接抽头、噪声等)，以及频谱兼容性(Spectral Compatibility)。后者是指对发送信号的功率谱应作恰当的安排，使运行于同一电话电缆中不同线对上的相同或不同种类的数字用户线信号间，因近端串扰(NEXT)和远端串扰(FEXT)所造成的传输损伤尽可能小一些。新技术在制订标准时，应考虑使其信号不影响现有业务的正常运行。

　　HDSL的工作原理可简单归纳为以下几点：

• 线路传输编码方式采用4电平脉冲幅度调制(4?PAM，也记为2B1Q)，或无载波调幅调相(CAP)。采用2B1Q方式的产品居多，下面内容即以二线对2B1Q方式E1系统为例说明。
  
• 附加用于同步和管理的各种开销后的用户数据流，平均分配在两对用户线上进行传输(对E1系统是1 168kbit/s)。每对线上都是收发全双工方式，用回波对消技术消除上下行信号间的干扰。这种安排可使每对线上的信号调制速率降低为584k baud。
  
• 采用前馈均衡(FFE)和判决反馈均衡(DFE)充分消除通过信道传输后产生的符号间干扰，滤波器系数在初始化训练阶段根据线路状况自适应设定。
  
• 发送端的脉冲成形滤波器预先补偿部分线路失真，还适当修正信号功率谱，主瓣宽度为500kHz 左右。 2B1Q 是基带方式，占用了0～4kHz 供传统电话用的频带，所以不能同时使用电话。
  
• 使用远端供电的中继器时，传输距离可成倍增加。
  

　　综上，HDSL可快速而且廉价地向用户提供T1 或E1 连接，是一种很成功的技术，但需使用两对用户线(一线对2B1Q 方式HDSL不能全部覆盖CSA)，这对许多用户是很不方便的。HDSL2 就是在这种背景下开发出来的，是HDSL的升级换代，只用一对用户线仍能达到HDSL原定的设计目标：在电信服务区内提供无中继的T1或E1传输连接，即传输速率和满足质量要求的传输距离达到两线对HDSL的水平；对各种线路传输损伤的容忍能力不降低；良好的频谱兼容性，对现有业务的损害不超过两线对HDSL。

　　HDSL2所采用的技术称之为频谱互锁重叠脉冲幅度调制(OPTIS)，它已被ANSI采纳为美国国家标准，适用于T1系统。 用于E1的类似系统究竟采用何种技术，ETSI尚在研究中。

　　OPTIS 大致包含以下几项内容：

• 16电平脉冲幅度调制(16?PAM)，效率较2B1Q提高一倍。
  
• 一维512状态格栅编码(Trellis Coding)，维特比解码。每3位信息位经卷积编码附加一校验位，可获得5dB 编码增益，有效地提高了传输的可靠性。其适当的解码序列长度(小于64)可保证端到端的时延不超过500μs。
  
• 采用回波对消技术(EC)消除上下行信号的相互干扰。虽然这时上下行信号频谱安排有相互重叠部分，存在自串音(同一电缆中本线对上的HDSL2业务信号与其他线对上的HDSL2业务信号间的串音)，但重叠部分安排在串音较弱的低频端；反之，FDM方式虽无自串音的烦恼，但因需占用较宽的频带，在高频区与其他线对上的异种业务信号间存在较严重的串扰，信号均衡也更复杂，相比之下还是回波对消技术较好。
  

　　HDSL2别具特色的方面是采用互锁重叠频谱成形技术，以改善频谱兼容性，降低近端串音(NEXT)的危害(参见图1)。

图1　OPTIS频谱成形

　　H2TU?R 是HDSL2的用户端设备，H2TU?C是局端设备。U/S为上行信号，D/S为下行信号。在低频端A区，由于串音小，取上下行信号功率谱密度相同。 在B区，降低下行信号功率谱密度，提升上行信号谱密度。原因是在局端由于众多用户线汇集，近串比用户端严重得多，因用户线在分线盒到用户设备之间是单独走线的，配线电缆的对数也远小于馈线电缆的对数，这种做法可以降低局端的近端自串音，提高上行信号在局端的信噪比。为改善用户端下行信号的信噪比，将下行信号频谱扩展到C区(利用镜像谱)。因C区无上行信号，所以在局端不会使近端自串音恶化。这种频谱成形方法使上行信号的增强区与下行信号的抑制区对应，称之为互锁。所选的频谱形状也使HDSL2信号对其他业务信号的串扰最小，即满足频谱兼容性的要求。尤其对ADSL信号的影响是经过优化的。

　　HDSL2 依然采用前馈均衡(FFE)和判决反馈均衡(DFE)消除码间干扰。但因DFE存在反馈，错误的判决会向后扩散，造成突发性成串差错，维特比解码对此无能为力。为此HDSL2采用在发端加入Tomlinson 预编码，进行发送前的预均衡。在启动训练阶段，两端的DFE 自适应地调整系数，训练过程结束，两端交换有关DFE系数的信息，用于设定各自发送预编码器的参数。在进入用户数据传输阶段之前关闭DFE，DFE只用于启动训练阶段，以确定线路所需的均衡特性。这样既可较好地消除码间干扰，又不产生差错扩散。前馈均衡器(FFE)在均衡信号的同时，有使噪声被放大的副作用，这里用于白化噪声。

图2　HDSL2收发器框图

　　图2是HDSL2 modem 的功能模块图。成帧器接受1.544Mbit/s 的DS1信号，插入8kbit/s的HDSL2 开销，送往称为Bitpump的数字信号处理模块。可以保持原DS1中的信道结构，在各信道中承载数据信号或数字编码的话音信号，也可以工作于无信道结构的透明模式，整个1.544Mbit/s作为单一数据信道。

　　HDSL2 开销用于HDSL2成帧、差错检测、帧同步、系统信令和控制，以及速率调整。符号发生器将串行比特流每3个比特构成一3比特组(tupple)，送往格栅编码调制器(TCM)，通过卷积编码器产生1比特编码附加位，最后映射为16?PAM 信号。发送滤波器完成OPTIS 所要求的功率谱成形。模拟前端(AFE)完成数模转换、线路驱动和2?4线转换。接收端的工作过程可反向类推。

　　HDSL2 与原来的HDSL(也有记为HDSL1的)相比，采用了复杂得多的信号处理技术，达到较高的性能指标(见表1 )。这里HDSL的指标是指两线对HDSL中的一个线对上所达到的指标。

表1　HDSL2与HDSL1的比较

　　HDSL2在一线对上实现了两线对HDSL的设计指标，是重大的技术成就，但HDSL2并不能完全取代HDSL。HDSL2的功耗是HDSL的2.5倍,要通过一线对实现电源远供很困难，因而不适于在需要远端供电和有中继器的场合使用。回路长度较短时(CSA的70％以下)，一线对的2B1Q HDSL可满足要求;传输距离较长时，两线对的HDSL加远端供电的中继器仍是传输对称E1、T1业务的优选对象。

　　2 、ADSL基本工作原理

　　90年代初，电视业界积极研制混合光纤/同轴电缆(HFC)系统，声称将以此为基础向用户提供全业务网络服务。全业务包含电话、有线电视、数据传输和一种令用户神往、使传媒界和通信业界十分震动的新业务??视频点播(VOD)。电信业界作为竞争的武器，开发了利用电话用户线的不对称数字用户线系统，以期能向用户提供类似的业务。对普通电话(POTS)、数据和实时视频信息的传输同等重视。1993～1995年ANSI T1.413的制订是这一阶段的开发高潮和成果总结。DMT(离散多音)和CAP(无载波调幅调相)两种调制方式的激烈争论在现场测试中终于倾向于DMT方案，虽然CAP的支持方始终不服气，声言将另行制订以CAP为基础的第二标准，但至今未见出台。

　　ANSI T1.413 DMT ADSL的工作原理可大致概括为以下几点：

• 离散多音调制(DMT)：将下行0～1.1MHz，上行0～138kHz的频带，划分为N个4.3125kHz的子信道，下行N=256，上行N=32。各子信道进行正交幅度调制(QAM)，调制的比特数取决于该子信道的信噪比。通过2N点逆离散付氏变换(IDFT)一次完成全部子信道的调制。
  
• 频谱安排：通过关闭低端子信道可将0～4kHz 留给普通电话信号使用，上行信号占26～138kHz，下行信号有两种选择：26～1 104kHz 或138～1 104kHz，前者与上行信号的频谱有重叠，需通过回波对消(EC)技术消除相互干扰，后者无重叠区，称为FDM方式，不需要EC电路。
  
• Reed－Solomon 纠错编码，对抗突发噪声产生的成串差错；可选用的格栅编码(TCM)和维特比解码，对抗随机噪声；时域和频域均衡，补偿信道失真；加循环前缀以消除符号间干扰。
  
• 两种时延和可靠性不相同的信道同时存在：增加交织处理环节以分散成串突发差错，提高抗差错能力的长时延、高可靠信道和不进行交织处理的低时延、快速信道。前者适于数据传输，后者适合于对实时性要求高，可靠性要求较低的视频、话音等信息的传输(如VOD)。
  
• 传输速率可以以32kbit/s的步长作精细调节。用户数据以字节为单位组装成帧，以帧为单位进行DMT调制，用户数据帧的等效调制速率为4 000帧/秒，帧长每增减一字节，等效为用户数据速率增减32kbit/s。
  
• 自适应速率调整：启动初始化阶段，在均衡器、自动增益控制等训练和调整完毕后，测量各子信道的信噪比(S/N)，决定各子信道间最佳的比特分配和能量分配，这是DMT方式所固有的优点， 可根据信道质量自适应地决定在一定的发送功率和达到一定的误码率并留有S/N比裕量的条件下所能达到的传输速率。在传输过程中也可根据线路状况的变化适时调节。
  
• 将数据帧中的用户数据字节分别指配到不同的承载信道，即可同时容纳多个承载信道：最多支持下行4个承载信道 AS0～AS3，双向3个承载信道 LS0～LS2。各承载信道均可指定为快速信道或交织信道，可实现多业务接入。
  
• 通过信号分离器分离低频的普通电话信号和高频的ADSL信号，使它们在接收端互不干扰。
  

　　采用以上技术措施，使ANSI T1.413 DMT ADSL可以在电信服务区(CSA)内实现下行6～8Mbit/s， 上行384～640kbit/s，再加普通电话的通信传输能力。

　　图3是ADSL系统图。

图3　用信号分离器的ADSL系统

　　3、 UAWG、UADSL与G.Lite

　　UAWG 是通用ADSL 工作组的缩写，是由PC业、网络业和电信业的几家领头大企业组成的一个行业论坛组织，旨在推出一种基于T1.413 的简化的ADSL新标准。 按此标准制造的设备，安装使用方便，价格便宜，不同厂商的产品间可互通、互操作，能够取代话带modem成为PC的标准外设，用户高速上网的良好工具。这种ADSL被称为通用ADSL(UADSL)。其设计目标有：

• 单一地得到ITU正式批准的国际标准，以便拥有尽可能大的市场，推出专用芯片降低成本；
  
• 即插即用(Plag and Play)，方便用户自行安装，不需要更动用户室内原有电话布线，不需要电信公司派员前去安装。其关键是“取消”不利于用户安装的障碍??信号分离器(Splitter)。所以又被称为无分离器ADSL (Splitterless ADSL)，或用户可安装ADSL(CiDSL)；
  
• 面向数据传输，面向用户上网，在保证下行传输速率比V.90 modem (56kbit/s)快25倍(约1.5Mbit/s)的前提下简化算法，简化结构，以降低功耗和成本。
  

　　基于上述概念的ADSL标准在国际电联电信标准化部(ITU－T)审议时，归属于第5研究组(SG5)，G系列建议在正式编号未定以前，称之为G.Lite, 1999年6月通过审议成为正式建议，编号为G.992.2，正式名称为“Splitterless Asymmetric Digital Subscriber Line(ADSL)Transceiver(无分离器不对称数字用户线收发器)”。

　　相对于G.Lite ，符合ANSI T1.413 的ADSL可称为全速率ADSL(Full Rate ADSL)，以它为基础的国际标准是G.992.1, 未定正式编号前又称为G.dmt。

　　4 、G.Lite ADSL

　　(1)信号分离器的功能和“无分离器”的涵义

　　Splitter 由一个高通滤波器和一个低通滤波器组合而成(参见图3 )，用于防止ADSL信号和电话信号间的相互干扰。电话信号理论上是话带的低频信号，但电话机电路的非线性会产生高频的非线性成分，同样也可能从高频的ADSL信号中产生话带信号，造成相互干扰，其严重程度与电话机的型号有关。另外，电话挂机摘机时的阻抗变化，如不经隔离，影响线路特性，有可能引起失步、严重的突发差错等，迫使系统中断正常通信回到重新训练状态。

　　如不想改动用户室内布线，Splitter 只有装在电话线入户处，在欧美这是需要电信公司派员前来安装的，成本很高。不能像话带modem 那样，用户买来插上接线就可使用，所以Splitter是降低用户开销，做到即插即用的障碍。

　　“无分离器”只在用户端进行，局端不存在用户安装问题，总是装分离器的。

　　“无分离器”实际上只是在形式上取消了独立的分离器，而将其功能分别由两个滤波器来承担，高通滤波器直接装在ATU－R内部，低通滤波器做成微型的，很容易由用户自己连接在电话机和电话线之间(参见图4)。这个微型低通滤波器是选用的，不装也可以，但打电话对传数据会有妨碍，可能使通信中断，重新再训练，最好传数据时不打电话。

图4　无分离器ADSL的室内布局

　　G.Lite中特别为此设计了快速重训练的协议，使中断过程不超过几十毫秒，但此间数据会丢失。

　　(2)G.992.2 (G.Lite) 相对于全速率ADSL (G.992.1 ?G.dmt, T1.413)的简化和变动

　　其内容有：

• 下行子信道总数由256减为128；IDFT 由512点降为256点，上行不变；带宽降低到500kHz左右；
  
• 取消快速信道，只有经过交织处理的高可靠、长时延信道，明显是面向数据传输；
  
• 上下行都只支持一个承载信道，下行AS0，上行LS0；
  
• 不支持格栅编码调制(TCM)和维特比解码；
  
• 独立的Splitter 功能由一个高通和一个低通滤波器承担，后者为选用件；
• 必须支持ATM物理层功能，提供物理层与ATM层间接口(通常是UTOPIA接口)；通过虚通道(VC)，虚路径(VP)的配置，实现多用户、多业务接入；
• 支持快速重训练(Fast Retrain)，当信道特性变化时，可根据测到的信道特性从已存储的若干参数表中选用一个，省去许多数据交换过程。参数表中存放各子信道的比特分配和能量分配参数、交织深度、R－S码的参数等；
• 支持功耗管理，支持低功耗工作状态。

　　目前的ADSL 芯片都是基于DSP的，所以只要修改软件就既可用于全速率ADSL，也可以用于G.Lite ADSL。

　　关于RADSL，它是速率自适应ADSL(Rate adaptive ADSL)，有人说这是一种市场炒作手段，因为按标准，T1.413、G.992.1、G.992.2 都是含有速率自适应机制的，名称上突出这一点，似乎为了显得比别家高一头，其实没有新东西。也有人说，虽然存在这种机制，但如果厂商自己开发的固件中不支持，还是没用的。

参考文献

1 White Paper.Consumer Installable ADSL:An In－Depth Look at G.Lite Technology.ORCKIT
2 George A Zimmerman.HDSL2 Tutorial:Spectral Compatibility and Real World Performance Advances,Pair Gain Technology

[摘要] 文章介绍了数字用户线技术的新成员??HDSL2 和简化的无分离器ADSL??G.Lite ADSL的原理、特点与应用场合，并对几种不同的xDSL作了解释。

[关键词] 高速数字用户线 不对称数字用户线 频谱互锁重叠脉冲幅度调制 信号分离器

[Abstract] With regard to network applications, the paper respectively introduces several categories of multimedia video conferencing products, discusses three rapidly－developed supporting technologies. It's concluded, by taking ZTE's products as examples, that the development trend of multimedia terminal product will be specialization, minimization and simplification.

[Keywords] Multimedia video conferencing Video conferencing Media processor Image processing Video conferencing terminal