探究补偿干扰的ADSL调制解调器设计

引言

非对称数字用户线路 (ADSL) 系统是目前部署的消费类 DSL 系统中最受欢迎的形式。它可在较短的环路中支持最大达 12 Mbps 水平的数据速率。在环路延长至5.5Km或更长的情况下，通过调节其速率与频谱，仍可实现有意义的数据速率。但是，许多干扰降低了 ADSL 的覆盖范围，这就在网络中形成漏洞，无法实现可接受的服务速率。

图1 针对较长环路进行优化的调制解调器架构示例

本文将介绍一些补偿上述干扰的 ADSL 调制解调器设计技术，包括码间干扰 (ISI)、桥接抽头与射频干扰 (RFI) 等，以及基于传输频谱改善的、可实现更长覆盖范围、最小化串扰并解决混合局端 (CO) 与远程终端 (RT) 部署问题的一些新标准。新标准不断发展，加上灵活的调制解调器架构出台，二者的结合使得运营商能够扩大以一定目标速率提供的DSL服务领域。

ADSL基础

ADSL通过采用离散多音频(DMT)调制将单一的宽带通信通道转换为多个窄带子通道。

如果通道存储器不超过循环前缀的长度，则使用循环前缀(将 IFFT 后的信号尾接到待传输块之前)可实现接收机的简化均衡。就此情况而言，均衡只是逐个子通道进行复数乘法，从而消除通道影响。

对于通道存储器大于循环前缀的情况，通常在所设计的接收机中采用通道缩短滤波器(称作时域均衡器或 TEQ)，使得 TEQ 与通道串联的大部分功率限于循环前缀长度 +1 之内。这与单通道情况相反，单通道情况下线性均衡器通常把最小均方误差设计为翻转通道。

典型的 ADSL 部署为频分双工 (FDD)，单通道(双绞线)用于承载两种信号，通过混合电路接至每个调制解调器的发送器与接收机。广义而言，混合电路用隔离变压器进行四至二线路转换。更具体地说，混合电路通过进行模拟回波抵消，以减小接收机中的传输信号(或回波)反射。混合回波抑制取决于反射线路的阻抗(通过变压器)，而它又根据不同的环路拓扑而有所差异。

干扰补偿

ADSL通道受各种干扰影响，有时数据速率甚至会低至从商业角度来看 ADSL 无法使用的程度(比如我们难以将 32 kbps 的速率作为宽带向市场推出)。本部分将研究 ISI、桥接抽头与 RFI，并分析如何采用适当的调制解调器设计来限制干扰对 ADSL 系统的影响。

ISI

ADSL 通道中的 ISI 是双绞线介质与 FDD 滤波器二者结合的结果。在过渡带附近 ISI 较强情况下工作较好的 TEQ ，在频率上可能会产生凹槽。由于噪声从 FFT 传播，凹槽会导致 SNR 损失，从而使数据速率下降。

针对上述问题的解决方案之一是使用多个带有独立通道缩短均衡器的接收路径，每条都对通道的不同部分进行优化。举例来说，一个 TEQ 可设计用于 ISI 较强的过渡带，而另一个 TEQ 可设计用于频带的其余部分，这里的 ISI 会较弱，从而有利于获得较平滑的频率响应。FFT 之后，两个通道的输出结合形成子通道的单输出(这就像在两条通道间作出选择一样简单)。

桥接抽头

桥接抽头指的是多条配电线缆连接至单一馈电线缆。只有一条配电线缆连接，其它保持开放。虽然这种架构便于运营商灵活分配线路，但是桥接抽头会在通道中产生阻抗匹配问题和反射问题。根据架构不同，家庭中的布线会有类似的影响。

桥接抽头造成的传输信号反射导致接收信号中回波分量增大。即便 ADSL 系统在 FDD 配置下工作，回波的增强(如果未进行补偿)也会导致数据速率降低。这是由于在环路较长情况下，回波功率会比接收信号功率更大，实际上限制接收机的增益设置，也就增加了调制解调器的有效噪声电平。而且，来自FFT的扩散允许一个频带向其它频带扩散，这就好像有了额外的噪声源。虽然采用灵敏的频带分离滤波器可有助于降低扩散的回波量，但其缺点是会给其它接收机带来均衡问题。此外，它不能解决调制解调器噪声电平问题。因此，在处理桥接抽头造成的额外回波时，较合理的方法是分两步走。

首先，为了优化接收机动态范围，混合电路必须进行调节以适应由变化的环路拓扑所引起的不同反射线路阻抗。在最简单的实施中，可针对不同环路拓扑采用多个混合电路以实现这一点。

对于混合电路匹配未移除的回波分量，可用回波抵消器(EC)去除剩余的回波信号。ADSL系统可设计为在时域中使用传统的EC，或在频域中进行回波抵消(使用某种形式的循环回波合成)。

RFI

RFI是由射频信号耦合在ADSL 频带(0~1104或2208KHz)中造成的。如 AM 无线电由于双绞线与调制解调器前端不能完全平衡而耦合到信号中，FFT 的正弦状干扰信号的扩散可能会在很多子通道中造成数据速率下降，因此，有必要开发一些处理RFI的算法。

TEQ设计的主要标准是缩短通道，基于MMSE的TEQ设计是在较强的RFI源位置处置零。虽然置零会使速率降低些，不过一般说来噪声扩散会大幅下降，速率降低的代价也还合理。这样，如果校准 TEQ 时存在 RFI 源，可用TEQ来补偿 RFI。

接收机开窗口是可用于 RFI 补偿的第二种方法。接收机开窗口利用循环前缀中的信息形成窗口，它会影响噪声，只要通道存储器缩短至循环前缀减去窗口的长度，就不会影响信号。这样，我们得到的就是带有旁瓣的窗口，它比矩形窗口衰减要快得多。因此，即便 RFI 在调制解调器校准后出现，调制解调器仍对 RFI 的有害影响显示出较高的抗扰性。它付出的代价是通道缩短带来的额外限制(自由度更低)。

图2 针对短环路(ADSL2+)进行优化的调制解调器架构。请注意，针对长环路进行优化的调制解调器的两条路径相结合，就构成了TEQ与FFT操作

基于传输频谱的性能改善

由于 ADSL 基于 DMT 调制，它在形成传输频带方面有很大的灵活性。我们可利用这种灵活性来改善 ADSL 系统的覆盖范围，用于处理混合 CO 与 RT 部署以及最小化串扰。

更大范围的频谱成型

DSL通道的常用形状使得高频比低频的衰减更大。此外，通道衰减随着环路长度增加而增大。由于 FDD ADSL系统将较高频率分配给下行以提高 ADSL 在较长环路上的性能，因此通常都需要提高下行数据率。

ADSL2是第二代ADSL，它用特定附件(范围扩展 ADSL2)解决上述问题，即采用频谱成型将功率置于通道更好的地方或将上下行重叠，前者可通过缩小下行频率的范围或提高功率实现，而后者需要一个 EC。此外，上行功率可降低频率以避免串扰并降低传入下行的回波。

ADSL2+处理CO与RT

混合部署情况

本地环路解除捆绑使得一家运营商可从CO为某一区域提供服务而另一家运营商则可从RT为同一区域提供服务成为可能。由于 RT 可能比CO离最终用户要近得多，因此 RT 带来的串扰会严重影响CO上运行的ADSL系统的性能。根据CO、RT与最终用户间距离的不同，以及不同线路间的耦合情况，性能所受的影响也有所不同。

ADSL2+是高速率版本的ADSL新标准，其下行带宽的宽度加倍，为CO与RT混合部署情况提供了可能的解决方案。基本的思路是让ADSL2+频谱的形成(可能只需关闭子通道即可)能够对较低频率造成的串扰尽量最小化。由于环路较短，RT部署的ADSL2+系统即使只用较高子通道也能实现较合理的速率。与此相对应的是，CO部署的 ADSL 系统如果在长环路上由环路衰减限制于较低子通道，那么系统来自于RT部署的ADSL2+系统的串扰就会较少，因此仍能实现较合理的速率。

串扰最小化

ADSL2遵循做现有系统(CO与RT混合部署是其实例)好邻居的原则，提供了更多串扰最小化的方法。这包括采用基于上限的功率缩减机制以去除功率，同时仍可保持相同的数据速率；还包括数据较少时减小传输功率的L2模式，并能够通过完全控制播放时间的位加载变化来进行反复迭代(iteraTIve waterfilling)以最小化串扰。

灵活的架构

对于长环路中各种干扰的补偿，根据通道不同部分上观测到的ISI可采用两条路径。EC可用于专为过渡带(这是回波最多的地方)设计的路径，而降低RFI的接收机窗口或TEQ设计可用于另一路径，因为上述干扰会出现在过渡带以外(见图1)。

对于上述干扰造成问题较小的较短环路，可将两条路径结合起来，使系统可处理的子通道数量加倍。假定TEQ可提供的每循环倍增数为常量，两个长度L TEQ中的每个都在每秒R采样率上工作，二者结合添加上最小的逻辑，则可得到在2R速率上工作的单长度L TEQ(将过滤操作拆分为两部分并使用延迟)。此外，TEQ输出的奇偶采样可路由至N大小的独立FFT，而两个FFT输出可结合在一起，再加上额外的蝶级(butterfly stage)以生成大小为2N的FFT(基本遵循时间FFT衍生抽取)。这样，就得到了一个能实现短环路高效、高速运行的调制解调器，并能够处理长环路的大量干扰(见图2)。

结语

通过将灵活的调制解调器设计与 ADSL 新标准相结合扩大了 ADSL 调制解调器的覆盖范围。本文总结了补偿一般干扰的某些方法，加上 ADSL 传输频谱中的灵活性，从而可大大提高所有环路长度情况下的数据速率。